Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Drone Chữa Cháy Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Nghiên cứu và thiết kế drone chữa cháy đang trở thành một lĩnh vực quan trọng… 124 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2024.

• Tác giả: Vu Duc Binh
• Người hướng dẫn: PhD Ha Le Nhu Ngoc Thanh
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechatronics Engineering
• Đề tài: Research, Design and Fabrication of Firefighting Quadcopters
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENT
• TABLE OF TABLES
• TABLE OF IMAGES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• INTRODUCTION
• 0.1. Reason for choosing the topic
• 0.2. Research objectives of the topic
• 0.3. Research subjects and scope
• 0.4. Research method
• 0.5. Structure of project
• 1. CHƯƠNG 1: RESEARCH TOPIC OVERVIEW
• 1.1. What is Drone/UAV
• 1.2. History of Aircraft’s Evolution and Development
• 1.2.1. History of Aviation
• 1.2.2. History of Drone
• 1.2.3. Application of Drone into practice
• 1.2.4. All usage notes and instruction
• 2. CHƯƠNG 2: STRUCTURE AND PRINCIPLES OF OPERATION
• 2.1. Common configuration and operating principles of some types of Drones
• 2.2. Fixed-wing hybrid VTOL
• 2.3. Compare advantages and disadvantages of each type of Drones
• 2.4. Flight control system
• 2.5. Flight control software
• 2.6. Power distribution board
• 2.7. Transmitting data and images on Drone
• 2.8. Camera Adrucam IMX519
• 2.9. The Flight Controller
• 2.10. Receiver
• 3. CHƯƠNG 3: MATHEMATIC MODEL OF QUADCOPTER
• 3.1. Diagram of quadcopter kinematic
• 3.2. Coordinate systems in Quadcopter
• 3.3. High altitude dynamic equation of UAV
• 3.4. Position dynamic equation of UAV
• 3.5. Equation of Coriolis’s force
• 3.6. Deploy the motion kinematic model in {E} coordinate system
• 3.7. Dynamics of motors
• 3.8. Electrical operating model
• 3.9. The mechanical operating model
• 3.10. The relationship between Kt and Ke
• 4. CHƯƠNG 4: CONTROLLER DESIGN
• 4.1. The relationship between PWM and thrust
• 4.2. The relationship between PWM and moment
• 4.3. Roll axis
• 4.4. Transfer function for controlling position
• 4.5. P-P Controller Design for Position Control
• 4.6. The transfer function for controlling altitude
• 4.7. P-P Controller Design for Altitude Control
• 5. CHƯƠNG 5: APPLICATION FOR FIREFIGHTING QUADCOPTER
• 5.1. Components on gripper
• 5.2. Transmission mechanism of a Gripper
• 5.3. Stress Analysis of Gripper
• 5.4. Deformation of Load-Bearing Components in a Gripper
• 5.5. Stress Analysis for Three Upper Support Bars of Clamping Mechanism
• 5.6. Analyzing the velocity of Gripper mechanism
• 5.7. Image Processing
• 6. CHƯƠNG 6: CONTROLLER PROGRAMMING
• 6.1. Overview of programming system
• 6.2. Image processing experiment
• 6.3. Mathematical Model for Quadcopter Fire Detection
• 6.4. Find the relationship between the movement of the quadcopter and the change in pixels
• 6.5. Find the relationship between Z distance and quadcopter height
• 6.6. The relationship between the forward-backward movement of the quadcopter and the change in pixels
• 6.7. The equation describing the relationship between yaw angle and position x, y
• 6.8. HITL simulation results
• 6.9. Overview of Hardware
• 6.10. Graph of parameters in real flight
• 6.11. Development Orientation
• REFERENCES
• OTHER REFERENCES
• APPENDIX

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Drone Chữa Cháy Hiệu Quả

Nghiên cứu và thiết kế drone chữa cháy đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Những chiếc drone này không chỉ giúp tăng cường khả năng chữa cháy mà còn cải thiện hiệu quả trong việc phát hiện và xử lý các tình huống khẩn cấp. Việc áp dụng công nghệ drone trong chữa cháy mang lại nhiều lợi ích, từ việc tiếp cận những khu vực khó khăn cho đến việc giảm thiểu rủi ro cho nhân viên cứu hỏa.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của Drone trong chữa cháy

Lịch sử của drone bắt đầu từ những năm 1900, nhưng chỉ đến gần đây, công nghệ này mới được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực chữa cháy. Các drone hiện đại được trang bị cảm biến và camera, cho phép thu thập dữ liệu và hình ảnh trong thời gian thực.

1.2. Tại sao cần nghiên cứu drone chữa cháy

Nhu cầu sử dụng drone chữa cháy ngày càng tăng do sự gia tăng các vụ cháy rừng và đô thị. Những chiếc drone này có khả năng tiếp cận nhanh chóng và hiệu quả, giúp giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ tính mạng con người.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Drone Chữa Cháy

Mặc dù drone chữa cháy mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như khả năng bay trong điều kiện thời tiết xấu, độ tin cậy của hệ thống điều khiển và khả năng mang tải vẫn là những yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu.

2.1. Khó khăn trong việc phát hiện và xác định vị trí cháy

Việc phát hiện và xác định vị trí cháy một cách chính xác là một thách thức lớn. Các cảm biến và công nghệ hình ảnh cần được cải tiến để tăng cường khả năng nhận diện.

2.2. An toàn khi sử dụng drone trong môi trường khắc nghiệt

Sử dụng drone trong các tình huống khẩn cấp đòi hỏi phải đảm bảo an toàn cho cả thiết bị và nhân viên. Cần có các biện pháp để giảm thiểu rủi ro khi hoạt động trong môi trường có nhiều khói và nhiệt độ cao.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Kế Drone Chữa Cháy

Để phát triển một chiếc drone chữa cháy hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp và xây dựng các mô hình toán học là rất quan trọng trong quá trình này.

3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế cấu trúc drone

Việc lựa chọn động cơ, pin và các linh kiện khác cần được thực hiện dựa trên các tiêu chí về hiệu suất và độ bền. Cấu trúc của drone cũng cần được thiết kế để tối ưu hóa khả năng bay và mang tải.

3.2. Xây dựng mô hình toán học cho drone

Mô hình toán học giúp dự đoán hành vi của drone trong các tình huống khác nhau. Các phương trình động lực học và mô hình điều khiển là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Drone Chữa Cháy

Các ứng dụng thực tiễn của drone chữa cháy đang ngày càng được mở rộng. Từ việc phát hiện sớm đến việc cung cấp hỗ trợ trong các tình huống khẩn cấp, drone đã chứng minh được giá trị của mình trong việc bảo vệ tài sản và tính mạng.

4.1. Phát hiện và giám sát cháy rừng

Các drone có thể được sử dụng để phát hiện sớm các vụ cháy rừng, giúp các đội cứu hỏa có thể phản ứng kịp thời và hiệu quả hơn.

4.2. Cung cấp hỗ trợ trong các tình huống khẩn cấp

Trong các tình huống khẩn cấp, drone có thể cung cấp thông tin và hỗ trợ cho các đội cứu hỏa, giúp họ đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác.

V. Kết Luận và Tương Lai của Drone Chữa Cháy

Tương lai của drone chữa cháy hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự tiến bộ của công nghệ. Các nghiên cứu và cải tiến trong lĩnh vực này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của drone trong việc chữa cháy.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ drone

Công nghệ drone sẽ tiếp tục được cải tiến với các tính năng mới như trí tuệ nhân tạo và cảm biến tiên tiến, giúp nâng cao khả năng phát hiện và xử lý cháy.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực drone chữa cháy là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho cộng đồng và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công tác phòng cháy, chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ trong môi trường hiện đại đối mặt với nhiều hiểm họa phức tạp, đặc biệt là tại các khu vực địa hình hiểm trở, nhà cao tầng hoặc những vùng không gian bị cô lập, đe dọa trực tiếp đến tính mạng của lực lượng cứu hộ. Sự phát triển của các phương tiện bay không người lái (UAV/Drone) kết hợp với trí tuệ nhân tạo và hệ thống điều khiển tự động mở ra giải pháp hỗ trợ trinh sát và can thiệp dập lửa từ xa, giúp giảm thiểu rủi ro cho con người và nâng cao hiệu quả cứu hỏa ban đầu.

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM với đề tài "Nghiên cứu, Thiết kế và Chế tạo Quadcopter Chữa cháy" (Research, Design and Fabrication of Firefighting Quadcopters) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán ứng dụng thiết bị bay bốn cánh quạt tự hành mang tải bóng cứu hỏa, nhận diện nguồn nhiệt và thực hiện thao tác dập lửa chính xác.

Các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Tính toán, lựa chọn và tích hợp các linh kiện phần cứng phù hợp để chế tạo hoàn chỉnh khung và hệ thống động lực của Quadcopter.
2. Thiết lập hệ phương trình động lực học và mô hình toán học mô tả chuyển động của thiết bị bay.
3. Xây dựng hệ thống nhận diện ngọn lửa tự động dựa trên mô hình trí tuệ nhân tạo sử dụng Camera và máy tính nhúng chuyên dụng.
4. Thiết kế, phân tích ứng suất và gia công chế tạo cơ cấu kẹp - nhả (gripping unit) có khả năng giữ và thả bóng dập lửa tự động.
5. Thiết kế bộ điều khiển chuyển động và thuật toán tự động tiếp cận vị trí hỏa hoạn để thả bóng chữa cháy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc phần cứng Quadcopter (động cơ Sunnysky x2814-7 1100KV, mạch ESC Hobbywing 60A, bo phân phối nguồn PDB, pin LiPo 4S); bộ điều khiển bay Pixhawk 6C; máy tính nhúng NVIDIA Jetson Nano; camera Arducam IMX519 lấy nét tự động; động cơ gắp GA25-370 qua driver L298-N; mô hình mạng nơ-ron YOLOv9 nhận diện lửa; gói truyền thông MAVROS và môi trường mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HITL (Hardware-in-the-Loop).
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị bay hoạt động trong điều kiện ngoài trời với tải trọng mang theo là quả cầu chữa cháy có khối lượng xấp xỉ 1,5 kg (tổng khối lượng cất cánh tối đa đạt khoảng 4,0 kg); nhận diện và bám đuổi ngọn lửa trong tầm quan sát quang học để thực hiện thả bóng cứu hỏa; thời gian thực hiện đề tài hoàn thành vào tháng 7 năm 2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết kỹ thuật cơ điện tử, khí động học và xử lý ảnh chuyên sâu:

• Khung lý thuyết động học và động lực học UAV: Sử dụng hệ trục tọa độ vật thể thể gắn trên Drone ${B}$ và hệ trục tọa độ cố định mặt đất ${E}$ thông qua các góc Euler (Roll $\phi$, Pitch $\theta$, Yaw $\psi$). Xây dựng phương trình chuyển động vị trí, phương trình động lực học độ cao, tính toán ảnh hưởng của lực quán tính Coriolis và mô hình toán học của hệ thống động cơ DC không chổi than (BLDC) dựa trên định luật Kirchhoff và cân bằng cơ học moment xoắn.
• Lý thuyết điều khiển tự động: Thiết lập hàm truyền mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) với lực đẩy (thrust) và moment quay. Thiết kế bộ điều khiển cấu trúc tỷ lệ - tỷ lệ (P-P Controller) cho vòng điều khiển vị trí ($X, Y$) và điều khiển độ cao ($Z$), kết hợp bộ điều khiển PID trên mạch điều khiển bay.
• Thị giác máy tính và học sâu: Sử dụng cấu trúc mạng học sâu YOLOv9 để nhận diện vùng đặc trưng của ngọn lửa (Flame Recognition); xây dựng mô hình hình học chiếu camera nhằm xác định tọa độ tương đối giữa tâm đám cháy và tâm drone dựa trên độ cao $Z$, tiêu cự và sai lệch pixel trên khung hình.
• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng:
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để kiểm nghiệm độ bền và độ biến dạng tĩnh của cơ cấu gắp bóng.
  • Phương pháp mô phỏng Hardware-in-the-Loop (HITL) kết nối trực tiếp mạch điều khiển Pixhawk 6C với phần mềm Gazebo và QGroundControl để kiểm chứng thuật toán điều khiển trước khi thử nghiệm thực tế.
  • Phương pháp đo đạc thực nghiệm ngoài trời nhằm thu thập dữ liệu đáp ứng góc và vị trí bay thực tế.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống Quadcopter chữa cháy được thiết kế tích hợp giữa cơ khí, phần cứng điện tử và kiến trúc phần mềm xử lý điều khiển phân tán.

1. Thông số kỹ thuật và cấu hình phần cứng

Thành phần	Thông số kỹ thuật / Chủng loại được chọn	Chức năng chính
Khung thân (Frame)	Tarot Iron Man 650 Foldable (Carbon Fiber, 476 g)	Chịu lực chính, gá đặt thiết bị, khả năng gập gọn
Động cơ đẩy (Motors)	4 × Sunnysky x2814-7 1100KV (Lực đẩy tối đa: 2.360 g/động cơ)	Tạo lực nâng và moment điều khiển chuyển động
Cánh quạt (Propellers)	APC 1045 (Đường kính 254 mm, bước pitch 114,3 mm, 15 g)	Biến đổi công suất quay thành lực đẩy khí động học
Mạch điều tốc (ESC)	Hobbywing Skywalker 60A (Dòng liên tục 60A, cực đại 80A/10s)	Điều khiển tốc độ quay của 4 động cơ BLDC qua PWM
Nguồn cấp (Battery)	LiPo GNB 5500mAh 4S 14.8V 70C/140C (450 g)	Cung cấp dòng xả tức thời tối đa lên tới 385A
Bộ điều khiển bay (FC)	Holybro Pixhawk 6C (Vi xử lý STM32H7, Dual IMU sấy nhiệt)	Chạy firmware PX4, xử lý cân bằng và điều hướng bay
Bộ định vị vệ tinh	Holybro M10 GPS (Đa băng tần GNSS: GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou)	Cung cấp dữ liệu vị trí và vận tốc thời gian thực
Máy tính nhúng (Companion)	NVIDIA Jetson Nano Developer Kit	Chạy hệ điều hành ROS, xử lý mô hình AI YOLOv9
Cảm biến hình ảnh	Arducam IMX519 (Có khả năng lấy nét tự động Autofocus)	Thu nhận luồng hình ảnh phục vụ phát hiện ngọn lửa
Cơ cấu chấp hành gắp	Động cơ GA25-370 + Driver cầu H L298-N	Đóng/mở ngàm kẹp giữ và thả quả cầu cứu hỏa

2. Thiết kế cơ cấu kẹp - nhả bóng chữa cháy

Cơ cấu kẹp (Gripping Unit) được thiết kế chuyên biệt để giữ quả cầu chữa cháy có khối lượng khoảng 1,5 kg đặt tại trọng tâm dưới thân drone. Hệ thống bao gồm cụm vỏ động cơ, đế đỡ chịu lực, cụm tay kẹp dạng đòn bẩy và hộp giảm tốc truyền động kết nối với động cơ DC GA25-370. Toàn bộ cơ cấu được phân tích biến dạng và ứng suất chịu tải đảm bảo hệ số an toàn cơ học dưới tác động của gia tốc cất cánh và rung động động cơ. Tín hiệu kích hoạt nhả bóng được điều khiển thông qua các chân GPIO của Jetson Nano nối tới mạch công suất L298-N.

3. Kiến trúc phần mềm và các Node ROS

Phần mềm điều khiển trung tâm được xây dựng trên nền tảng Robot Operating System (ROS), vận hành đa luồng thông qua các Node chức năng:

• Node Init: Thiết lập trạng thái ban đầu, kiểm tra kết nối với các cảm biến ngoại vi và chuẩn bị chế độ bay.
• Node Camera: Giao tiếp với cảm biến Arducam IMX519, thu thập luồng dữ liệu khung hình với độ phân giải cao và truyền dữ liệu dạng ảnh thô qua ROS topic.
• Node Detect: Tiếp nhận dữ liệu ảnh, thực thi mô hình nhận diện ngọn lửa YOLOv9 đã được huấn luyện (thông qua bộ dữ liệu gán nhãn trên MakeSense), trích xuất tọa độ Bounding Box của tâm đám cháy trên mặt phẳng ảnh ($u, v$).
• Node Control: Tính toán sai lệch tọa độ ảnh so với tâm quang học, chuyển đổi góc lệch Yaw và độ dịch chuyển vị trí không gian ($X, Y, Z$) cần thiết, sau đó gửi tập lệnh vị trí đến chế độ bay Offboard.
• Node Offboard & MAVROS: Đóng gói bản tin tọa độ và vận tốc theo chuẩn MAVLink, truyền qua cổng giao tiếp nối tiếp đến vi điều khiển Pixhawk 6C để điều khiển góc nghiêng và vòng tua động cơ.
• Node GPIO: Gửi tín hiệu điều khiển logic để kích hoạt mạch L298-N mở ngàm gắp khi drone đã định vị chính xác bên trên mục tiêu hỏa hoạn.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu (Research Topic Overview)

Chương 1 trình bày khái niệm tổng quát về thiết bị bay không người lái (UAV/Drone), lược sử phát triển hàng không từ các bản vẽ ban đầu của Leonardo da Vinci (1490), khí cầu khí nóng (1783), chuyến bay lịch sử của anh em nhà Wright (1903), trực thăng hiện đại (1939), cùng tiến trình phát triển của Drone từ phục vụ mục tiêu quân sự (Aerial Target 1917, Kettering Bug 1918, Queen Bee 1935, Chiến tranh Việt Nam) đến các ứng dụng dân sự đương đại. Phân tích các lĩnh vực ứng dụng thực tiễn của Drone như nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường, trắc địa bản đồ bằng LiDAR, logistics kho bãi và cứu hộ khẩn cấp; đồng thời tổng hợp các quy định pháp lý và nguyên tắc an toàn trước và trong quá trình vận hành bay.

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (Structure and Principles of Operation)

Chương này đi sâu vào phân loại cấu hình các dòng Drone phổ biến (Multicopter, Fixed-wing, Single-rotor, Fixed-wing hybrid VTOL) kèm bảng so sánh chi tiết về ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng. Trình bày chi tiết từng linh kiện phần cứng cấu thành nên Quadcopter cứu hỏa: khung gập Tarot 650 vật liệu sợi carbon, động cơ không chổi than Sunnysky x2814-7 1100KV, cánh quạt APC 1045, bo mạch điều tốc ESC Hobbywing Skywalker 60A, bộ điều khiển bay Pixhawk 6C tích hợp vi xử lý STM32H7 và cảm biến IMU kép có sấy nhiệt, pin LiPo 4S 5500mAh 70C cùng hệ sinh thái phần mềm mã nguồn mở PX4 Firmware, ROS, MAVROS, phần mềm mô phỏng Gazebo và trạm điều khiển mặt đất QGroundControl.

Chương 3: Mô hình toán học của Quadcopter (Mathematic Model of Quadcopter)

Chương 3 xây dựng hệ thống phương trình động học và động lực học hoàn chỉnh cho thiết bị bay bốn cánh quạt. Thiết lập các ma trận chuyển đổi giữa hệ tọa độ quán tính mặt đất ${E}$ và hệ tọa độ vật thể ${B}$; triển khai phương trình chuyển động vị trí, phương trình động lực học độ cao và biểu thức tính toán lực quán tính Coriolis trong không gian 3 chiều. Đồng thời, chương này mô hình hóa mạch điện động cơ BLDC theo định luật Kirchhoff và mô hình cơ học rotor để xác định mối quan hệ giữa hằng số moment $K_t$ và hằng số sức điện động $K_e$.

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển (Controller Design)

Chương 4 thực hiện tuyến tính hóa và xác định hàm truyền mô tả quan hệ giữa tín hiệu PWM cấp cho ESC với lực đẩy $F(N)$ và moment xoắn của động cơ. Thiết kế hàm truyền điều khiển chuyển động xoay quanh 3 trục: trục lăn (Roll), trục nghiêng (Pitch) và trục đảo hướng (Yaw). Xây dựng sơ đồ khối và thiết kế cấu trúc bộ điều khiển vị trí hai vòng lặp P-P (P-P Controller for Position Control) cùng bộ điều khiển độ cao P-P (P-P Controller for Altitude Control), đảm bảo hệ thống duy trì độ ổn định động học dưới tác động của tải trọng bóng chữa cháy.

Chương 5: Ứng dụng cho Quadcopter chữa cháy (Application for Firefighting Quadcopter)

Tập trung vào giải pháp kỹ thuật phục vụ nhiệm vụ cứu hỏa:

• Thiết kế chi tiết cơ cấu kẹp cơ khí: lựa chọn động cơ DC giảm tốc GA25-370, mạch điều khiển L298-N, cơ cấu đòn bẩy truyền lực.
• Phân tích ứng suất kết cấu (Stress Analysis) và phân tích biến dạng đàn hồi (Deformation Analysis) trên 3 thanh đỡ chịu lực của cơ cấu kẹp dưới điều kiện tải trọng thực tế 1,5 kg.
• Phân tích động học vận tốc kẹp - nhả.
• Xây dựng quy trình xử lý ảnh: thu thập tập dữ liệu ngọn lửa, gán nhãn hình ảnh trên công cụ MakeSense, cắt trích đặc trưng và huấn luyện mô hình mạng nơ-ron học sâu.

Chương 6: Lập trình bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm (Controller Programming, Simulation and Experiment)

Chương 6 trình bày cấu trúc tổng thể hệ thống lập trình phân tán trên máy tính nhúng Jetson Nano kết nối Pixhawk 6C. Xây dựng mô hình hình học xác định vị trí đám cháy: thiết lập phương trình liên hệ giữa độ cao bay $Z$, khoảng cách thực địa và sai lệch pixel trên khung ảnh camera, cùng phương trình điều chỉnh góc xoay Yaw theo tọa độ $(X, Y)$. Trình bày kết quả kiểm nghiệm mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HITL) trên các đồ thị đáp ứng góc Roll, Pitch, Yaw và vị trí $X, Y, Z$; công bố kết quả lắp ráp hoàn chỉnh phần cứng và các biểu đồ dữ liệu bay thực nghiệm ngoài trời; cuối cùng đề xuất định hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo hoàn chỉnh thiết bị bay: Lắp ráp và tích hợp thành công mẫu Quadcopter chuyên dụng trên nền khung carbon Tarot 650, trọng lượng rỗng tối ưu, hệ thống động lực 4 động cơ Sunnysky x2814-7 1100KV kết hợp cánh APC 1045 tạo ra tổng lực đẩy đạt tỷ lệ lực đẩy/khối lượng xấp xỉ 2,36:1, đáp ứng tải trọng mang quả cầu cứu hỏa nặng 1,5 kg với tổng khối lượng cất cánh 4,0 kg.
• Cơ cấu chấp hành: Hoàn thiện cụm kẹp và thả bóng dập lửa sử dụng động cơ giảm tốc GA25-370, kết quả phân tích ứng suất và biến dạng đảm bảo độ cứng vững kết cấu khi mang tải tĩnh và động.
• Hệ thống thị giác máy tính: Xây dựng thành công Node nhận diện ngọn lửa thời gian thực trên Jetson Nano bằng mô hình YOLOv9, phối hợp với camera Arducam IMX519 tự động lấy nét, nhận diện chính xác tâm ngọn lửa và chuyển đổi thành tọa độ điều khiển.
• Kiểm chứng mô phỏng và thực tế:
  • Hoàn thành quy trình kiểm thử phần cứng trong vòng lặp HITL (kết nối Pixhawk 6C với Gazebo/QGC), các đồ thị phản hồi góc Roll, Pitch, Yaw và tọa độ không gian $X, Y, Z$ bám sát quỹ đạo đặt lệnh.
  • Thực nghiệm bay thực tế chứng minh các đường cong đáp ứng góc xoay (Roll Axis, Pitch Axis Response Curves) và đường cong định vị tọa độ thực tế ($X, Y, Z$-Position Response Curves) đạt độ ổn định cao, thực hiện đúng chu trình: cất cánh $\rightarrow$ tìm kiếm phát hiện đám cháy $\rightarrow$ tiếp cận tọa độ $\rightarrow$ kích hoạt nhả bóng dập lửa $\rightarrow$ giữ thăng bằng.

2. Đóng góp của đề tài

• Đóng góp một giải pháp thiết kế tích hợp hoàn chỉnh từ tính toán khí động, động lực học giải tích, thiết kế cơ khí chịu lực đến hệ thống điều khiển tự율 cho dòng Drone chữa cháy cỡ nhỏ.
• Ứng dụng thành công mô hình học sâu hiện đại (YOLOv9) trên thiết bị nhúng biên (Jetson Nano) kết hợp chặt chẽ với hệ điều hành robot ROS và giao thức MAVLink để tự động hóa hoàn toàn chu trình can thiệp hỏa hoạn không cần can thiệp thủ công từ người điều khiển.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

• Tải trọng và dung lượng nguồn: Khả năng mang tải hiện ở mức 1 quả bóng cứu hỏa (khoảng 1,5 kg), thời lượng bay bị giới hạn bởi dung lượng khối pin LiPo 5500mAh khi phải cấp nguồn liên tục cho cả 4 động cơ công suất lớn và máy tính nhúng.
• Cảm biến và môi trường: Hệ thống nhận diện quang học phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng và độ khói của đám cháy; camera Arducam IMX519 là cảm biến quang học thường, chưa tích hợp cảm biến nhiệt chuyên dụng (Thermal Camera) để xuyên qua khói dày.

2. Hướng nghiên cứu tiếp (Development Orientation)

• Nâng cấp hệ thống động lực và khung thân để gia tăng tải trọng, cho phép mang đồng thời nhiều quả cầu dập lửa hoặc tích hợp vòi phun dập lửa áp lực cao.
• Bổ sung cảm biến camera nhiệt hoặc LiDAR đa tia nhằm nâng cao độ chính xác nhận diện điểm phát nhiệt trong điều kiện khói mù dày đặc hoặc ban đêm.
• Tối ưu hóa thuật toán lập kế hoạch đường bay (Path Planning) tránh vật cản tự động trong không gian hẹp và môi trường đô thị phức tạp.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Hàng không và Robot học:

• Tính toán khí động học và hệ thống động lực: Cung cấp phương pháp tính toán chọn lựa cặp động cơ - cánh quạt - pin - ESC dựa trên tỷ lệ lực đẩy/khối lượng cụ thể.
• Mô hình toán và thuật toán điều khiển: Cung cấp chi tiết hệ phương trình động lực học phi tuyến, phương trình Coriolis, phương pháp tuyến tính hóa và thiết kế bộ điều khiển P-P cho UAV.
• Kiến trúc tích hợp ROS - Pixhawk - PX4: Tài liệu mẫu trực quan về cách thiết lập hệ thống điều khiển Offboard, truyền nhận bản tin MAVLink và cấu hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HITL).
• Thiết kế cơ cấu gắp: Hướng dẫn quy trình từ thiết kế 3D, phân tích ứng suất kết cấu bằng phần mềm kỹ thuật đến tích hợp mạch công suất điều khiển cơ cấu kẹp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khối lượng tải trọng mà Quadcopter trong đề tài có thể mang theo là bao nhiêu và sử dụng loại động cơ nào?
Hệ thống được thiết kế để mang tải trọng một quả bóng cứu hỏa có khối lượng xấp xỉ 1,5 kg (tổng khối lượng cất cánh đạt 4,0 kg). Hệ thống động lực sử dụng 4 động cơ không chổi than Sunnysky x2814-7 1100KV, mỗi động cơ có khả năng tạo lực đẩy tối đa 2.360 g, mang lại tỷ lệ lực đẩy/khối lượng là 2,36:1.

2. Hệ thống nhận diện ngọn lửa trên Drone hoạt động như thế nào và sử dụng phần cứng gì?
Quá trình nhận diện ngọn lửa được thực hiện bởi camera Arducam IMX519 có tính năng lấy nét tự động, truyền luồng ảnh về máy tính nhúng NVIDIA Jetson Nano. Tại đây, Node Detect trong môi trường ROS thực thi mô hình mạng nơ-ron học sâu YOLOv9 để trích xuất vị trí tọa độ đám cháy trong khung hình theo thời gian thực.

3. Cơ chế điều khiển chuyển động của Drone khi phát hiện đám cháy được tính toán ra sao?
Từ sai lệch pixel $(u, v)$ của tâm đám cháy trên ảnh so với tâm camera và thông tin độ cao $Z$ do cảm biến cung cấp, hệ thống chuyển đổi thành sai lệch vị trí tương đối $(X, Y)$ và góc xoay Yaw. Dữ liệu này được Node Control gửi đến Pixhawk 6C qua giao thức MAVROS ở chế độ bay Offboard để điều chỉnh vị trí drone ngay phía trên ngọn lửa.

4. Cơ cấu giữ và thả quả cầu cứu hỏa hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Cơ cấu kẹp (Gripping Unit) sử dụng động cơ điện DC giảm tốc GA25-370 truyền động qua cụm cơ cấu đòn bẩy kẹp 3 thanh đỡ. Động cơ được đóng ngắt thông qua mạch công suất cầu H L298-N nhận tín hiệu logic từ chân GPIO của Jetson Nano khi drone đến đúng vị trí dập lửa.

5. Phương pháp mô phỏng Hardware-in-the-Loop (HITL) được áp dụng trong đề tài có vai trò gì?
Mô phỏng HITL cho phép nạp và chạy trực tiếp thuật toán điều khiển trên bo mạch phần cứng thật Pixhawk 6C trong khi môi trường vật lý và phản hồi động học được giả lập bởi phần mềm Gazebo. Điều này giúp kiểm chứng tính ổn định của các đáp ứng góc (Roll, Pitch, Yaw) và quỹ đạo ($X, Y, Z$) trước khi tiến hành bay thử nghiệm thực tế ngoài trời, hạn chế tối đa nguy cơ va chạm.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, Thiết kế và Chế tạo Quadcopter Chữa cháy" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết toàn diện bài toán chế tạo thiết bị bay không người lái phục vụ cứu hỏa bán tự động. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động lực học giải tích, thiết kế cơ khí chịu lực, tích hợp mạch điều khiển bay Pixhawk 6C chạy firmware PX4 và thuật toán nhận diện ngọn lửa YOLOv9 trên máy tính nhúng Jetson Nano. Kết quả mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HITL cùng các đợt bay thử nghiệm thực tế đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và khả năng đáp ứng ổn định của hệ thống trong nhiệm vụ tự động tiếp cận và dập tắt nguồn lửa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MECHATRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF FIREFIGTING QUADCOPTERS INSTRUCTOR: PhD HA LE NHU NGOC THANH STUDENT: VU DUC BINH DOAN THANH NAM TRAN LE NHAT HUY SKL013385 Ho Chi Minh City, July 2024 HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING MECHATRONICS ENGINEERING GRADUATION THESIS TOPIC: RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF FIREFIGTING QUADCOPTERS Supervisor: PhD HA LE NHU NGOC THANH Students : VU DUC BINH………………….ID: 20146478 DOAN THANH NAM………….ID: 20146506 TRAN LE NHAT HUY………….ID: 20146494 Class: 201461 Academic year : 2020-2024 Ho Chi Minh City, July - 2024 2 COMMITMENT - Topic: Research, Design and Fabrication of firefighting quadcopters - Supervisor: PhD Ha Le Nhu Ngoc Thanh - Students: Vu Duc Binh.ID: 20146478 Doan Thanh Nam. ID: 20146506 Tran Le Nhat Huy.ID: 20146494 - Thesis Deadline: 4/7/2024 - Class: 201461 - Phone number: 0888360856 - Email: [e-mail] - Thesis submission date: - Commitment: “We hereby declare that this dissertation: Research, Design and Fabrication of Firefighting Quadcopters is our work and has been conducted by ourselves. We did not copy from any published article without citing the source. If there is any violation, we will take full responsibility.” Group of students - Vu Duc Binh Doan Thanh Nam Tran Le Nhat Huy 3II ACKNOWLEDGMENT On behalf of the research team, we would like to extend our deepest gratitude to PhD Ha Le Nhu Ngoc Thanh for his unwavering guidance and expertise throughout our academic journey.

His mentorship and inspiration have been instrumental in the successful completion of this project. We also extend our sincere appreciation to the esteemed faculty members of the Department of Mechatronics, particularly, and to the broader Faculty of Mechanical Engineering and the Ho Chi Minh City University of Technology and Education. Their dedication to teaching and unwavering support have been invaluable throughout our academic endeavors. We are immensely grateful to our families, friends, and loved ones for their encouragement, care, and assistance throughout our studies and the completion of this project.

Their support has been a source of strength and motivation. While we have strived to produce a high-quality project, we acknowledge that our limitations in time and experience may have resulted in shortcomings. We humbly welcome any constructive criticism and valuable feedback from our esteemed lectures to further refine our knowledge and skills. We are eager to learn and grow from your insights.

Group of students Vu Duc Binh Doan Thanh Nam Tran Le Nhat Huy III 4 ABSTRACT RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF FIREFIGHTING QUADCOPTERS UAVs are becoming increasingly popular in society. Their biggest strength is that they can fly to difficult-to-reach locations, hazardous areas for humans, or rough terrain. With their great potential, UAVs are being utilized to revolutionize many industries, being used in various fields like agriculture, military, and surveillance equipment, significantly increasing productivity and work efficiency. However, there are still limitations and challenges in the current firefighting field.

Based on this reality, our team has researched and implemented a UAV capable of carrying heavy objects, specifically a fire extinguisher ball. The fire extinguisher ball is held and released through a clipper controlled automatically by companion computers like the Jetson Nano. Additionally, flight modes are established for the UAV to enable it to automatically search for fire sources using a camera with an autofocus function. AI models are built to optimize fire detection quickly and with high reliability.

The choice of motors, UAV frame, etc. is made in accordance with pre-calculated aerodynamic equations. As a result, the team has researched and developed a fire-fighting quadcopter UAV capable of carrying a load of approximately 1.5 kg, with the most notable advantage being its ability to automatically search for fire sources. Hardware-in-the-Loop (HILT) simulation tools are used to ensure it runs according to the pre-programmed code, making its operation smoother and more stable outdoors.

5 IV TABLE OF CONTENT COMMITMENT ------------------------------------------------------------------------------------------------II ACKNOWLEDGMENT ------------------------------------------------------------------------------------- III ABSTRACT -----------------------------------------------------------------------------------------------------IV TABLE OF CONTENT ---------------------------------------------------------------------------------------- V TABLE OF TABLES ------------------------------------------------------------------------------------------IX TABLE OF IMAGES ------------------------------------------------------------------------------------------ X LIST OF ABBREVIATIONS-------------------------------------------------------------------------------XV INTRODUCTION ---------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1. Reason for choosing the topic ----------------------------------------------------------------------------------- 1 2. Research objectives of the topic--------------------------------------------------------------------------------- 1 3. Research subjects and scope ------------------------------------------------------------------------------------- 1 3.

Structure of project ---------------------------------------------------------------------------------------- 2 INTRODUCTION ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 CHAPTER 1: RESEARCH TOPIC OVERVIEW ------------------------------------------------------- 3 1. What is Drone/UAV ------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1. History of Aircraft’s Evolution and Development------------------------------------------------------ 3 1. History of Aviation ----------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.

History of Drone -------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1. Application of Drone into practice ------------------------------------------------------------------------- 5 1. All usage notes and instruction ----------------------------------------------------------------------------- 7 CHAPTER 2: STRUCTURE AND PRINCIPLES OF OPERATION------------------------------- 9 2. Common configuration and operating principles of some types of Drones ----------------------- 9 2.

Fixed-wing hybrid VTOL ---------------------------------------------------------------------------------- 11 2. Compare advantages and disadvantages of each type of Drones ---------------------------------- 11 2.3 Flight control system ---------------------------------------------------------------------------------------- 21 V 6 2. Flight control software -------------------------------------------------------------------------------------- 24 2. Power distribution board------------------------------------------------------------------------------ 31 2.

Transmitting data and images on Drone ---------------------------------------------------------------- 34 2. Camera Adrucam IMX519 ------------------------------------------------------------------------------ 34 2.4 The Flight Controller ---------------------------------------------------------------------------------------- 37 2.2 Receiver ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 39 CHAPTER 3: MATHEMATIC MODEL OF QUADCOPTER ------------------------------------- 40 3. Diagram of quadcopter kinematic ------------------------------------------------------------------------ 40 3. Coordinate systems in Quadcopter ----------------------------------------------------------------------- 41 3.

High altitude dynamic equation of UAV ------------------------------------------------------------- 43 3. Position dynamic equation of UAV -------------------------------------------------------------------- 44 3. Equation of Coriolis’s force ----------------------------------------------------------------------------- 45 3. Deploy the motion kinematic model in {E} coordinate system ---------------------------------- 48 3.

Dynamics of motors ------------------------------------------------------------------------------------------ 51 3. Electrical operating model:------------------------------------------------------------------------------ 51 3. The mechanical operating model ---------------------------------------------------------------------- 52 3. The relationship between Kt and Ke ------------------------------------------------------------------- 53 CHAPTER 4: CONTROLLER DESIGN ----------------------------------------------------------------- 55 4.

The relationship between PWM and thrust------------------------------------------------------------- 55 4. The relationship between PWM and moment ------------------------------------------------------------ 56 4. Roll axis ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 59 VI 7 4. Transfer function for controlling position -------------------------------------------------------------- 63 4.

P-P Controller Design for Position Control --------------------------------------------------------- 66 4. The transfer function for controlling altitude ------------------------------------------------------- 67 4. P-P Controller Design for Altitude Control --------------------------------------------------------- 69 CHAPTER 5: APPLICATION FOR FIREFIGHTING QUADCOPTER ------------------------ 72 5. Components on gripper ---------------------------------------------------------------------------------- 72 5.

Transmission mechanism of a Gripper --------------------------------------------------------------- 75 5. Stress Analysis of Gripper ------------------------------------------------------------------------------- 76 5. Deformation of Load-Bearing Components in a Gripper ------------------------------------- 76 5. Stress Analysis for Three Upper Support Bars of Clamping Mechanism ---------------- 77 5.

Analyzing the velocity of Gripper mechanism --------------------------------------------------- 79 5. Image Processing ---------------------------------------------------------------------------------------------- 80 CHAPTER 6: CONTROLLER PROGRAMMING ---------------------------------------------------- 84 6. Overview of programming system --------------------------------------------------------------------- 86 6. Image processing experiment --------------------------------------------------------------------------- 91 6.

Mathematical Model for Quadcopter Fire Detection---------------------------------------------- 91 6. Find the relationship between the movement of the quadcopter and the change in pixels ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 92 6. Find the relationship between Z distance and quadcopter height ----------------------- 92 6. The relationship between the forward-backward movement of the quadcopter and the change in pixels ----------------------------------------------------------------------------------------------- 92 6.

The equation describing the relationship between yaw angle and position x, y ------ 94 8 VII 6. HITL simulation results---------------------------------------------------------------------------------- 96 6. Overview of Hardware ----------------------------------------------------------------------------------- 99 6.2 Graph of parameters in real flight------------------------------------------------------------------- 100 6. Development Orientation --------------------------------------------------------------------------------- 101 REFERENCES ----------------------------------------------------------------------------------------------- 104 OTHER REFERENCES------------------------------------------------------------------------------------ 105 APPENDIX ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 107 9 VIII TABLE OF TABLES Table 2.

1 Compare all types of Drones. 2 Specifications of motor. 3 Parameters for the EMP9X6 Propeller. 4 Specifications of Propellers.

5 Specifications of Lipo Battery. 6 Specifications of ESC. 7 Specifications of the RadioMaster Pocket TX. 1 Specifications of the GA25-370 Motor.

2 Description of Pins on the L298-N Driver. 1 Specifications of the Firefighting Quadcopter. 99 IX 10 TABLE OF IMAGES Figure 1. 2 Some types of Plane.

3 History of Drones. 4 Drone spraying pesticide. 5 Drone flying in the city. 6 Drone-based land surveying.

7 Drone-based warehouse inventory management system. 8 Drone is used by the military. 4 Fixed-wing hybrid VTOL. 5 All components in Drone.

10 Motor SunSky x2814-7 1100KV. 14 Robot Operating System. 18 Battery Lipo GN3 4 cells. 19 Power Distribution Board.

22 Jetson Nano Developer Kit. 23 Camera Adrucam IMX519. 1 Diagram of quadcopter dynamic. 2 Coordinate system on Drone.

3 The graph of lifting UAV. 4 Coordinate system in Euler's equation. 5 Computational Fluid Dynamics. 6 Circuit using Kirchoff's law.

7 Mechanical operation model. 1 Relationship between PWM and F(N). 2 Drone rotates around the X-axis. 3 Drone rotates around the Y-axis.

4 Drone rotates around the Z-axis. 5 Simulation by MATLAB for control motor signal. 6 Transfer function for Roll axis control. 7 Transfer function for Pitch Axis control.

8 Transfer fucntion for Yaw axis control. 9 Block Diagram for Position Control. 10 The Block Diagram for P-P Control Position. 11 The Block Diagram for Altitude control.

12 The Block Diagram P-P Controller for Altitude Control. 13 The Block Diagram for Dynamic Control. 1 The gear reducer. 3 The Gripping Unit.

4 The Support Base. 5 The Motor Housing. 6 The transmission mechanism of Gripper. 7 Deformation Analysis of Load-Bearing Components.

8 Strength Analysis of Load-Bearing Components. 9 Illustration for Gripper Mechanism. 10 UI on MakeSense. 11 Crop the images.

12 Final step of process. 1 Diagram of how HITL simulation works [24]. 2 Connection between Computer and Pixhawk. 3 Connection between FTDI and TELEM2.

4 The graph of programming system. 5 The graph of Node Init. 6 The graph of Offboard Node. 7 The graph of Camera Node.

8 The graph of Detect node. 9 The graph of Control Node. 10 The graph of GPIO Node. 11 Experimental Result in Recognition Flame.

12 The geometry illustrates the relationship between Z and pixel. 13 The geometry illustrates the relationship between Z and h. 14 The geometry illustrates the relationship between backward-forward movement and pixels. 15 The relationship between yaw angle and position x, y.

16 Graph of Roll Angle in HITL Simulation. 17 Graph of Pitch Angle in HITL Simulation. 18 Graph of Yaw Angle in HITL Simulation. 19 Graph of X-Position in HITL Simulation-----------------------------------------------------97 Figure 6.

20 Graph of Y-Position in HITL Simulation. 21 Graph of Z-Position in HITL Simulation. 22 Drone after has been assembled. 23 Roll Axis Response Curve in Real Flight.

24 Pitch Axis Response Curve in Real Flight. 25 Pitch Axis Response Curve in Real Flight. 26 X-Position Response Curve in Real Flight ------------------------------------------------- 100 Figure 6. 27 Y-Position Response Curve in Real Flight ----------------------------------------------- --101 Figure 6.

28 Z-Position Response Curve in Real Flight ------------------------------------------------- 101 15 XIV LIST OF ABBREVIATIONS UAV Unmanned Aerial Vehicle FPV First Person View LiDAR Light Detection and Ranging VTOL Vertical Take-Off and Landing FC Flight controller IMU Inertial Measurement Unit GPS Global Positioning System PID Proportional-Integral-Derivative ROS Robot Operating System QGC QGroundControl ESC Electronic Speed Controller PWM Pulse Width Modulation HITL Hardware-in-the-loop GPIO General-Purpose Input/Output BEC Battery Eliminator Circuit XV 16 INTRODUCTION 1. Reason for choosing the topic - The realm of public safety is undergoing a transformative shift with the emergence of firefighting quadcopters. These unmanned aerial vehicles (UAVs) represent a significant advancement in robotics and artificial intelligence, offering innovative solutions to longstanding challenges faced by fire departments globally. - Firefighting quadcopters possess the distinct advantage of traversing hazardous or inaccessible areas with agility, surpassing the limitations of human firefighters [3].

Equipped with advanced sensor technology and autonomous navigation systems, these drones gather real-time data on fire behavior and provide crucial situational awareness. This enhances informed decision-making by fire crews, leading to increased efficiency in response efforts. - Furthermore, the capabilities of these quadcopters extend beyond data collection. By leveraging advanced sensors, they facilitate early fire detection, allowing for prompt intervention and potentially mitigating the spread of blazes [2].