Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa và công nghệ robot ngày càng phát triển, việc ứng dụng máy bay không người lái (drone/UAV) đã mở rộng nhanh chóng từ các hoạt động dân sự như nông nghiệp chính xác (phun thuốc, tưới tiêu, gieo hạt, thu hoạch), đo đạc địa chính, thám sát, cứu nạn cho đến các ứng dụng an ninh - quốc phòng. Tuy nhiên, các dòng drone hoạt động đơn lẻ bộc lộ nhiều hạn chế về phạm vi bao phủ, thời gian thực thi nhiệm vụ và đặc biệt là độ tin cậy vận hành: khi xảy ra sự cố kỹ thuật hoặc tác động môi trường, toàn bộ nhiệm vụ sẽ bị đình trệ.

Hệ thống điều khiển drone theo nhóm (bầy đàn) được phát triển nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Nhờ khả năng phân chia tải công việc, phối hợp thu thập dữ liệu đa hướng và dự phòng lẫn nhau, hệ thống nhiều drone giúp nâng cao hiệu suất, giảm chi phí vận hành tổng thể và duy trì tính ổn định của nhiệm vụ ngay cả khi một cá thể gặp lỗi. Để hiện thực hóa mô hình này, việc nghiên cứu kiến trúc truyền thông phân tán, đồng bộ hóa dữ liệu và thuật toán kiểm soát vị trí tương đối giữa các drone là yêu cầu kỹ thuật cốt lõi.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và quản lí bay nhiều drone theo nhóm" xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Hoàn thành thiết kế và cân chỉnh drone sao cho drone bay ổn định và cho ra độ chính xác vị trí cao.
  2. Thành lập được giao thức phù hợp để áp dụng vào hệ thống drone bay theo nhóm.
  3. Sử dụng những phần mềm hỗ trợ để tạo được giao tiếp qua lại giữa drone với drone và drone với laptop (Ground Control Station - GCS).
  4. Hoàn thiện phần lập trình để tối ưu hóa thuật toán và tăng độ an toàn trong quá trình drone bay thực hiện nhiệm vụ.
  5. Hoàn thành và thử nghiệm nhiều lần drone bay theo nhóm, thực hiện các chế độ bay đơn giản; cho phép điều khiển nhóm và điều khiển riêng lẻ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng máy bay không người lái dạng quadcopter 4 cánh quạt, cấu trúc mạng truyền thông điều khiển phân tán và thuật toán điều khiển bay duy trì khoảng cách theo nhóm.
  • Phạm vi phần cứng: Giới hạn chế tạo và thử nghiệm trên 02 mô hình drone quadcopter do giới hạn về kinh phí thực hiện.
  • Phạm vi thuật toán và quỹ đạo: Triển khai các quỹ đạo bay đơn giản, bay đồng thời theo đội hình cho trước, duy trì cự ly an toàn thông qua bộ điều khiển PID; sử dụng các gói mã nguồn mở kết hợp máy tính nhúng và mạch điều khiển bay thương mại để tối ưu thời gian phát triển.
  • Không gian và thời gian: Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng động học máy bay bốn cánh nâng (quadcopter), hệ tọa độ chuyển đổi, mô hình điều khiển phân cấp và lý thuyết điều khiển tự động:

  1. Động học Quadcopter và 4 chuyển động cơ bản: Mô hình sử dụng 4 động cơ với 2 cánh quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW - cánh số 1, 2) và 2 cánh quay cùng chiều kim đồng hồ (CW - cánh số 3, 4) nhằm triệt tiêu mô-men xoắn phản lực. Chuyển động của drone được tổ hợp từ 4 thao tác:

    • Throttle / Hover (Lên/Xuống): Thay đổi đồng thời tốc độ của cả 4 cánh quạt.
    • Pitch (Tiến/Lùi): Tạo chênh lệch tốc độ giữa 2 cánh phía sau (2, 4) và 2 cánh phía trước (1, 3).
    • Roll (Nghiêng trái/Nghiêng phải): Tạo chênh lệch tốc độ giữa 2 cánh bên phải (1, 4) và 2 cánh bên trái (2, 3).
    • Yaw (Xoay quanh trục Z đứng): Tạo chênh lệch vận tốc giữa cặp cánh chéo (1, 2) và cặp cánh chéo (3, 4).

  2. Hệ trục tọa độ và góc Euler:

    • Hệ tọa độ gắn theo thân (Body frame): Có gốc đặt tại trọng tâm quadcopter, dùng để đo đạc các giá trị vận tốc góc và gia tốc tức thời từ con quay hồi chuyển (Gyroscope) và gia tốc kế (Accelerometer).
    • Hệ tọa độ quán tính (Inertial frame): Đặt cố định theo chuẩn Bắc - Đông - Dưới (North-East-Down), dùng để xác định vị trí toàn cầu từ GPS và từ kế (Magnetometer/Compass). Góc Euler được sử dụng để chuyển đổi trạng thái giữa hai hệ trục, làm cơ sở toán học cho thuật toán ổn định bay.

  3. Phương thức điều khiển Master - Slave và phân cấp Centralized / Decentralized: Hệ thống kết hợp quản trị tập trung từ trạm mặt đất (Master/GCS đóng vai trò lập lịch, gửi lệnh nhiệm vụ tổng thể) và điều khiển phân tán cục bộ (mỗi drone là một Slave tự tính toán trạng thái bay, phản hồi dữ liệu và kiểm soát quỹ đạo riêng).

  4. Lý thuyết bộ điều khiển PID: Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ được áp dụng để triệt tiêu sai số vị trí $e(t)$ giữa giá trị đo thực tế và điểm đặt mong muốn theo phương trình: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó, $K_p$ (độ lợi tỉ lệ) tăng tốc độ đáp ứng; $K_i$ (độ lợi tích phân) triệt tiêu sai số xác lập nhưng gây vọt lố; $K_d$ (độ lợi vi phân) hãm tốc độ thay đổi sai số, giảm vọt lố và tăng cường ổn định hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lực nâng động học, tải trọng động cơ, dòng xả pin và cấu trúc chịu lực cơ khí của khung drone.
  • Phương pháp tích hợp phần cứng - phần mềm nhúng: Kết nối ghép tầng giữa máy tính nhúng xử lý truyền thông cấp cao (Raspberry Pi) và bộ điều khiển bay thời gian thực cấp thấp (Pixhawk chạy firmware ArduPilot).
  • Phương pháp thực nghiệm và đánh giá số liệu: Đo lường thực tế thời gian trễ truyền nhận tín hiệu (latency), kiểm tra khả năng xử lý mất kết nối (heartbeat checking), và khảo sát đáp ứng duy trì khoảng cách theo các trục $X, Y, Z$ trong quá trình bay đồng thời.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và quản lý nhiều drone được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa, chia thành 4 khối chức năng phần cứng chính kết hợp giao thức truyền thông phân tầng.

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị Thông số kỹ thuật & Giao tiếp Vai trò trong hệ thống
Khối nguồn Pin LiPo Ovonic 3S 45C 11.1V (tối đa 12.6V), 2300mAh, dòng xả 45C Cung cấp năng lượng dòng cao cho toàn bộ hệ thống
Mạch quản lý nguồn PM02 V3 Tích hợp cảm biến dòng, hạ áp 5V chuẩn Cấp nguồn ổn định cho Pixhawk, giám sát dung lượng pin
Khối Input Module định vị GPS NEO-6M Tích hợp la bàn số, giao tiếp UART & I2C Định vị tọa độ toàn cầu và xác định hướng la bàn
Cảm biến nhúng trên Pixhawk Accelerometer, Gyroscope, Barometer, Magnetometer Đo gia tốc 3 trục, vận tốc góc, độ cao và từ trường
Khối Xử lý trung tâm Mạch điều khiển bay Pixhawk 2.8 Vi xử lý 32-bit ARM, firmware ArduPilot Tính toán cân bằng động học bay, xuất xung PWM
Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 RAM 4GB, kết nối WiFi / Telemetry UART Đóng vai trò máy tính phụ trợ (Companion Computer), xử lý MQTT
Khối Output 04 Động cơ không chổi than Himodel A2212 1400KV, công suất 180W, dòng tải max 20A Tạo lực quay dẫn động cánh quạt
04 Mạch điều tốc ESC Skywalker Dòng liên tục 40A V2 UBEC, chip ARM 32-bit Điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển tốc độ động cơ
04 Cánh quạt 8045 thuận nghịch Kích thước 8x4.5 inch (2 cặp CW - CCW), góc nghiêng 20° Tạo lực nâng khí động học cho quadcopter

Tính toán lực nâng và phối ghép phần cứng

Để đảm bảo khả năng bay lơ lửng (hovering) ổn định với khối lượng drone thiết kế là $m = 1\text{ kg}$:

  • Trọng lượng của drone: $P = m \cdot g = 1 \times 9.81 = 9.81\text{ N}$.
  • Lực nâng tối thiểu mỗi động cơ cần tạo ra khi bay cân bằng: $$T_{\text{đc}} \ge \frac{P}{4} = \frac{9.81}{4} = 2.45\text{ N}$$
  • Chọn hệ số an toàn $k = 2$ để đáp ứng các chế độ bay gia tốc và đổi hướng đột ngột, lực đẩy yêu cầu tối thiểu cho mỗi động cơ là $T_{\text{yêu cầu}} = 2 \times 2.45 = 4.9\text{ N}$ (tương đương $\approx 500\text{ g}$ lực đẩy).
  • Động cơ Himodel A2212 1400KV kết hợp cánh quạt 8045 và nguồn pin LiPo 3S tạo ra lực nâng tối đa $0.9\text{ kg}$ ($\approx 8.83\text{ N}$) trên mỗi cánh quạt tại mức tải cực đại, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Cấu trúc cơ khí và mạng truyền thông

  1. Kết cấu cơ khí 3 tầng mica:

    • Tầng trên: Giữ cố định module GPS NEO-6M và mạch Pixhawk 2.8 nhằm giảm nhiễu từ trường từ dây dẫn động lực.
    • Tầng giữa: Bố trí mạch Raspberry Pi 4, mạch chia nguồn PCB và hệ thống dây tín hiệu. Cánh drone được liên kết bằng trụ đồng và thanh gia cố dọc, kẹp mạch ESC vào giữa để tản nhiệt và bảo vệ.
    • Tầng dưới: Khoang chứa pin LiPo Ovonic 3S và chân tiếp đất. Toàn bộ lỗ bắt vít được chuẩn hóa theo ren M3.

  2. Kiến trúc giao thức truyền thông:

    • Tầng mạng ngoài (GCS $\leftrightarrow$ Raspberry Pi): Sử dụng giao thức Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) qua mạng WiFi thông qua một máy chủ đóng vai trò MQTT Broker. GCS xuất bản (Publish) các lệnh hành trình đến các Topic tương ứng; Raspberry Pi trên từng drone đăng ký (Subscribe) để nhận lệnh tức thời hoặc gửi ngược dữ liệu telemetry về máy chủ.
    • Tầng điều khiển nhúng (Raspberry Pi $\leftrightarrow$ Pixhawk 2.8): Kết nối thông qua cổng UART (cổng Telemetry 2) với định dạng khung truyền MAVLink v2. Raspberry Pi chuyển đổi lệnh nhận từ MQTT thành các bản tin MAVLink gửi xuống Pixhawk, đồng thời trích xuất trạng thái bay từ Pixhawk để gửi lên GCS.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 phân tích bối cảnh phát triển của công nghệ UAV, chỉ ra các hạn chế khi vận hành drone đơn lẻ và sự cần thiết của hệ thống điều khiển theo nhóm. Tác giả tổng hợp tình hình nghiên cứu UAV trong nước (các mô hình quadcopter phục vụ đo đạc địa hình của Viện Khoa học và Đo đạc bản đồ, các đề tài của Bộ Quốc phòng) và quốc tế (Mỹ, Trung Quốc, Nga, Israel trong trinh sát quân sự, cứu nạn và biểu diễn nghệ thuật). Trên cơ sở đó, chương xác định 5 mục tiêu cốt lõi, phạm vi giới hạn nghiên cứu (thử nghiệm trên 2 drone) và cấu trúc 6 chương của báo cáo tốt nghiệp.

CHƯƠNG 2. Lý thuyết điều khiển bay (Cơ sở lý thuyết)

Chương 2 trình bày toàn diện lý thuyết động học quadcopter: nguyên lý triệt tiêu mô-men bằng 2 cặp cánh quạt quay nghịch chiều; cơ chế 4 chuyển động bay (Throttle, Pitch, Roll, Yaw); toán học chuyển đổi hệ trục tọa độ thân (Body frame) sang hệ trục quán tính (Inertial frame) qua góc Euler. Chương phân loại các hình thức điều khiển từ xa (tay cầm RC so với phần mềm máy trạm GCS), phân tích mô hình Master - Slave, thiết lập công thức toán học của bộ điều khiển PID và tác động của các tham số $K_p, K_i, K_d$. Đồng thời, chương chỉ rõ các thách thức kỹ thuật khi bay nhóm gồm xử lý xung đột va chạm, đồng bộ hóa thông tin, cơ chế an toàn khi mất kết nối và bài toán chia sẻ tài nguyên vi xử lý.

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG PHẦN CỨNG

Chương 3 tập trung vào khâu tính toán, lựa chọn và lắp ráp phần cứng. Tác giả thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm 4 khối (Nguồn, Input, Xử lý trung tâm, Output); trình bày bài toán cân bằng lực nâng tính ra lực đẩy cần thiết ($P = 9.81\text{ N}$, mỗi động cơ cần tối thiểu $2.45\text{ N}$, áp dụng hệ số an toàn 2 thành $4.9\text{ N}$). Chương thuyết minh chi tiết thông số các linh kiện được chọn: Pixhawk 2.8 (firmware ArduPilot), Raspberry Pi 4 (4GB RAM), ESC Skywalker 40A UBEC, động cơ Himodel A2212 1400KV, cánh 8045, module GPS NEO-6M, module nguồn PM02 V3 và pin LiPo Ovonic 3S 2300mAh 45C. Cuối cùng, chương mô tả sơ đồ đấu nối dây chuẩn UART, I2C, PH2.0 và quy trình thiết kế, gia công khung mica 3 tầng chịu lực bằng ốc M3.

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 xây dựng kiến trúc điều khiển kết hợp Centralized và Decentralized. Nội dung bao gồm việc triển khai giao thức MQTT làm cầu nối giữa GCS và Raspberry Pi, cấu trúc gói dữ liệu MAVLink v2 giao tiếp qua cổng Telemetry 2 với Pixhawk. Tác giả thiết kế bộ điều khiển PID giữ khoảng cách giữa các drone trong nhóm và xây dựng hệ thống lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: giải thuật kiểm tra kết nối (Heartbeat) giữa GCS và các drone, giải thuật xử lý lệnh từ GCS xuống Raspberry Pi, giải thuật đóng gói lệnh gửi từ Raspberry Pi sang Pixhawk, cùng quy trình thực hiện nhiệm vụ bay theo quỹ đạo và giao diện điều khiển GCS.

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương 5 công bố kết quả chế tạo thực tế 2 drone hoàn chỉnh và các dữ liệu đo đạc thực nghiệm. Nội dung gồm: thực nghiệm đo thời gian đáp ứng nhận lệnh từ máy chủ; thời gian phản hồi gói tin trạng thái về GCS; kiểm tra chức năng giao diện điều khiển khi ngắt kết nối một hoặc toàn bộ drone và tái kết nối hệ thống; đánh giá đồ thị đáp ứng cự ly và sai số tọa độ các trục $X, Y, Z$ của 2 drone khi áp dụng bộ điều khiển PID giữ khoảng cách.

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, đánh giá tính ổn định của giao thức truyền thông và thuật toán bay nhóm. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế còn tồn tại do giới hạn phần cứng, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công hệ thống thực nghiệm gồm 02 máy bay không người lái quadcopter và trạm điều khiển mặt đất với các kết quả cụ thể:

  1. Chế tạo cơ khí và tích hợp phần cứng: Hoàn thiện 02 drone quadcopter có khối lượng xấp xỉ $1\text{ kg}$ mỗi chiếc, cơ cấu khung mica 3 tầng hoạt động vững chắc, triệt tiêu rung chấn cho cảm biến IMU và GPS.
  2. Kiểm tra truyền thông và độ trễ: Hệ thống giao tiếp phân tầng MQTT và MAVLink v2 hoạt động ổn định trên băng thông mạng không dây nội bộ. Các thực nghiệm ghi nhận thời gian đáp ứng nhận lệnh từ máy chủ và thời gian phản hồi telemetry về GCS đạt độ trễ thấp, đáp ứng yêu cầu điều khiển thời gian thực cho các tác vụ bay đơn giản.
  3. Độ ổn định của hệ thống phần mềm: Giao diện GCS quản lý độc lập từng drone hoặc toàn bộ nhóm cùng lúc. Hệ thống xử lý chính xác các kịch bản ngoại lệ: khi ngắt kết nối đột ngột một drone (Drone 1) hoặc ngắt kết nối máy chủ khỏi Broker, hệ thống vẫn duy trì an toàn và tự động khôi phục luồng dữ liệu ngay sau khi kết nối lại mà không xảy ra hiện tượng kẹt vòng lặp lệnh.
  4. Hiệu quả của bộ điều khiển PID giữ khoảng cách: Đồ thị đáp ứng vị trí theo các trục tọa độ $X, Y, Z$ và đồ thị đáp ứng khoảng cách cho thấy sai số cự ly giữa 2 drone nhanh chóng được triệt tiêu về giá trị đặt an toàn, ngăn chặn hiện tượng dao động hoặc va chạm khi bay cùng nhau.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công mô hình tích hợp hai tầng vi xử lý chi phí thấp: kết hợp máy tính nhúng phổ thông (Raspberry Pi 4) làm nhiệm vụ truyền thông mạng cấp cao với mạch điều khiển bay mã nguồn mở (Pixhawk 2.8) chạy firmware ArduPilot cho tác vụ bay cấp thấp.
  • Đề xuất giải pháp giao tiếp mạng phân tán sử dụng MQTT kết hợp MAVLink v2, giúp đơn giản hóa cấu trúc dữ liệu truyền nhận, nâng cao tính mô-đun và tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng số lượng drone trong tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo phạm vi và điều kiện thực hiện được tác giả nêu rõ trong văn bản:

  • Số lượng cá thể hạn chế: Do kinh phí thực hiện đề tài có hạn nên hệ thống thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô 02 drone.
  • Độ chính xác phần cứng: Module định vị GPS NEO-6M là dòng cảm biến dân sự tiêu chuẩn nên độ chính xác vị trí vẫn còn độ lệch nhất định, chưa đạt độ chính xác định vị cấp độ centimet (RTK).
  • Quỹ đạo bay đơn giản: Các thử nghiệm bay nhóm mới chỉ thực hiện trên các quỹ đạo hình học cơ bản trong không gian kiểm soát, chưa thử nghiệm trong môi trường gió lớn hoặc có nhiều vật cản phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng số lượng drone tham gia bầy đàn lên quy mô lớn hơn (từ 3 drone trở lên) để kiểm chứng khả năng chịu tải của mạng MQTT và thuật toán phân chia vị trí.
  • Nâng cấp phần cứng định vị bằng công nghệ GPS RTK (Real-Time Kinematic) hoặc tích hợp camera thị giác máy tính kết hợp cảm biến khoảng cách để nâng cao độ chính xác giữ vị trí và tự động tránh va chạm theo thời gian thực.
  • Phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi và thuật toán điều khiển bầy đàn phi tập trung nâng cao để tối ưu hóa quỹ đạo bay trong các điều kiện môi trường có nhiễu động mạnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot, Hàng không và Công nghệ Thông tin cần tài liệu hướng dẫn thiết kế, tính toán lực nâng và phối ghép linh kiện quadcopter.
  • Các nhóm nghiên cứu về UAV: Tham khảo quy trình tích hợp máy tính nhúng phụ trợ (Companion Computer - Raspberry Pi) với mạch điều khiển bay Pixhawk thông qua giao thức MAVLink v2.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống IoT / Robotics: Tham khảo kiến trúc mạng MQTT trong việc truyền thông dữ liệu hai chiều giữa máy trạm GCS và các robot di động phân tán, cũng như phương pháp xử lý an toàn truyền thông khi xảy ra sự cố ngắt kết nối mạng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển trên mỗi drone sử dụng cấu trúc phần cứng vi mạch như thế nào?
Mỗi drone sử dụng cấu trúc vi mạch 2 tầng: Pixhawk 2.8 chạy firmware ArduPilot đóng vai trò vi điều khiển bay cấp thấp (đọc cảm biến IMU/GPS, xuất xung PWM điều khiển 4 động cơ qua ESC) và Raspberry Pi 4 (RAM 4GB) đóng vai trò máy tính phụ trợ cấp cao để kết nối WiFi, xử lý giao thức MQTT và giao tiếp với Pixhawk qua cổng UART (Telemetry 2).

2. Quá trình truyền thông giữa Trạm điều khiển mặt đất (GCS) và các drone được tổ chức ra sao?
Dữ liệu giữa GCS và Raspberry Pi trên các drone được truyền nhận qua mạng không dây bằng giao thức MQTT thông qua một MQTT Broker đóng vai trò trung gian phân phối bản tin. Sau khi nhận dữ liệu từ MQTT, Raspberry Pi biên dịch lệnh và truyền xuống mạch Pixhawk 2.8 bằng giao thức MAVLink v2 qua cổng UART.

3. Việc tính toán chọn động cơ và nguồn điện cho drone dựa trên các thông số nào?
Với khối lượng thiết kế $1\text{ kg}$ ($P = 9.81\text{ N}$), mỗi động cơ cần lực nâng tối thiểu $2.45\text{ N}$. Áp dụng hệ số an toàn bằng 2, lực đẩy yêu cầu tối thiểu là $4.9\text{ N}$. Nhóm tác giả lựa chọn 4 động cơ Himodel A2212 1400KV kết hợp cánh quạt 8045 và pin LiPo Ovonic 3S 2300mAh 45C (11.1V - 12.6V), tạo ra lực nâng tối đa $0.9\text{ kg}$ ($\approx 8.83\text{ N}$) trên mỗi động cơ, đảm bảo hệ số an toàn vượt mức yêu cầu.

4. Thuật toán nào được sử dụng để kiểm soát khoảng cách an toàn giữa 2 drone?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển phản hồi PID (Proportional - Integral - Derivative) để tính toán sai số khoảng cách và vị trí theo các trục tọa độ, từ đó điều chỉnh tín hiệu điều khiển hành trình gửi tới từng drone nhằm triệt tiêu sai số và duy trì khoảng cách mong muốn.

5. Hệ thống phản ứng như thế nào khi một drone hoặc máy chủ bị mất kết nối mạng?
Hệ thống tích hợp lưu đồ giải thuật kiểm tra kết nối định kỳ (Heartbeat). Khi phát hiện mất kết nối với broker hoặc máy chủ, drone duy trì trạng thái bay an toàn cục bộ đã được lập trình sẵn và tự động khôi phục kênh truyền thông ngay khi có tín hiệu mạng trở lại, không làm gián đoạn hoạt động của các cá thể khác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và quản lí bay nhiều drone theo nhóm" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện, chế tạo thành công mô hình 02 quadcopter đến xây dựng kiến trúc điều khiển nhúng phân tầng. Việc kết hợp máy tính nhúng Raspberry Pi 4 và mạch bay Pixhawk 2.8 cùng các giao thức MQTT và MAVLink v2 đã giải quyết hiệu quả bài toán truyền nhận dữ liệu thời gian thực và quản lý bay bầy đàn từ trạm mặt đất. Các kết quả thực nghiệm về độ trễ, khả năng xử lý mất kết nối và đáp ứng duy trì khoảng cách bằng thuật toán PID đã chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của hệ thống, tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc cho các nghiên cứu mở rộng quy mô phi đội UAV tự hành trong tương lai.