CHƯƠNG 1.1 Phương tiện bay không người lái Phương tiện bay không người lái – Unmanned Aerial Vehicle (UAV) – là tên gọi chung cho các loại máy bay mà không có người lái ở buồng lái, hoạt động tự lập và thường được điều khiển từ xa qua trung tâm hay máy tính điều khiển. Trên thế giới hiên nay, các phương tiện bay không người lái được biết đến có hai loại như sau: - Máy bay truyền thống được trang bị hệ thống điều khiển và lái tự động: xuất hiện từ những năm 1950, phục vụ các công việc do thám và trinh sát chiến trường - Phương tiện bay không người lái kiểu mới: được chế tạo rất đa dạng với kích thước và công suất từ nhỏ đến trung bình. Ứng dụng của phương tiện bay không người lái kiểu mới đang tăng lên mạnh mẽ từ quân sự đến nông nghiệp, thương mại, vận chuyển, giải trí và nghiên cứu khoa học Ứng dụng của phương tiện bay không người lái nổi bật có thể kể đến như: - Mục tiêu và mồi nhử: phương tiện bay không người lái được tạo ra để trở thành mục tiêu cho hệ thống súng/pháo mặt đất và trên không – mô phỏng máy bay hoặc tên lửa của đối phương - Trinh sát: phương tiện bay không người lái được dùng để cung cấp thông tin tình báo chiến trường - Chiến đấu: phương tiện bay không người lái được dùng để tạo ra khả năng tấn công cho các nhiệm vụ có độ rủi ro cao - Cứu hộ: phương tiện bay không người lái được sử dụng để tìm kiếm, giải cứu trong thiên tai hay tai nạn, sự cố. Chúng có thể được sử dụng để xác định nồng độ khí gây hại trong các đám cháy, rò rỉ chất thải, phóng xạ… Hay phương tiện bay không người lái có thể được sử dụng để di chuyển đến những nơi nguy hiểm, thiếu an toàn mà con người không thể đến được - An ninh: phương tiện bay không người lái được dùng để giám sát trên không, đi tuần trong thành phố.
Chúng cũng có thể được sử dụng để ghi hình vi phạm hỗ trợ điều tra xử lý. Giám sát các sự kiện tập trung đông người, biểu tình, tuần hành. Hay phương tiện bay không người lái có thể tuyên truyền, nhắc nhở người dân thay cho các nhân viên y tế, an ninh trong các trường hợp cần phải dãn cách vì dịch bệnh - Nghiên cứu khoa học: phương tiện bay không người lái giúp các nhà khoa học nghiên cứu, quan sát các sự kiện trong tự nhiên, ghi lại các cuộc khai quật khảo cổ học, các tai nạn hạt nhân, quan sát núi lửa phun trào… - Làm phim, chụp ảnh: với phương tiện bay không người lái và camera, chúng ta có thể chụp được những bức ảnh hấp dẫn, độc đáo, những cảnh quay tuyệt vời từ góc nhìn trên cao. Mang đến cái nhìn mới hơn về cuộc sống và thế giới 1 - Khảo sát: phương tiện bay không người lái được sử dụng mang theo các máy ảnh quang phổ hay máy quét laser, có thể khảo sát địa chất địa hình, lập bản đồ trực quan, khám phá các vùng đất mới.
- Vận chuyển hàng hóa: với các gói hàng hóa nhỏ và vừa, các công ty hiện nay đã có thể sử dụng phương tiện bay không người lái để vận chuyển và giao hàng, mang đến trải nghiệm mua sắm mới hơn Với phương tiện bay không người lái kiểu truyền thống, điểm khác biệt chỉ là ở hệ thống điều khiển và lái tự động. Vì vậy, em sẽ tập trung vào phương tiện bay không người lái kiểu mới. Phương tiện bay không người lái kiểu mới thường được gọi chung là “Drone” và phân loại theo ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, dựa trên cơ sở của “nền tảng hàng không” (aerial platform), phương tiện bay không người lái sẽ được chia thành bốn loại như sau: - Phương tiện bay không người lái cánh cứng (Fixed wings) - Phương tiện bay không người lái dạng trực thăng (Helicopter) - Phương tiện bay không người lái dạng lai (Fixed-wing Hybrid VTOL) - Phương tiên bay không người lái đa động cơ (Multirotor/Multicopter) Phương tiện bay không người lái cánh cứng có hình dáng tương tự như máy bay thông thường, cũng cần đường băng hoặc thiết bị phóng để cất cánh.
Do đó, thiết bị bay dạng này không có khả năng cất cánh thẳng đứng hay giữ vị trí cố định trên không. Các cánh cứng giúp cho thiết bị bay cải thiện khí động học, làm chúng hoạt động hiệu quả hơn và có tầm hoạt động lớn. Thiết bị bay dạng này cũng thường không sử dụng pin mà sử dụng các động cơ đốt trong cỡ nhỏ. Phương tiện bay không người lái dạng trực thăng sử dụng động cơ chính với cánh quạt lớn để cất/hạ cánh và điều hướng.
Với việc sử dụng động cơ và cánh quạt theo phương thẳng đứng như vậy giúp cho thiết bị bay dạng này có thể cất cánh thẳng đứng và giữ vị trí cố định trên không. Cũng giống như dạng cánh cứng, thiết bị bay dạng trực thăng cũng sử dụng động cơ đốt trong để tăng phạm vi hoạt động. Phương tiện bay không người lái dạng lai là công nghệ drone mới nhất. Đây là sự kết hợp giữa dạng cánh cứng, với phạm vi hoạt động rộng và thời gian bay dài, và dạng cất/hạ cánh thẳng đứng (vertical take-off and landing – VTOL), với khả năng cất/hạ cánh linh hoạt không yêu cầu đường băng hay thiết bị phóng như dạng cánh cứng.
Với sự kết hợp này, các thiết bị bay dạng lai có khả năng cất cánh thẳng đứng sau đó di chuyển như dạng cánh cứng khi đã đạt đến độ cao mong muốn. Phương tiện bay không người lái dạng đa động cơ được thiết kế với nhiều động cơ và cánh quạt trên phần thân nhỏ gọn. Các cánh quạt này tạo ra lực nâng và cho khả năng điều khiển chính xác. Với kích thước nhỏ và khả năng điều khiển chính xác của mình, thiết bị bay dạng đa động cơ hiện nay là một lựa chọn tuyệt vời cho ứng dụng quay phim/chụp ảnh trong không trung.
Các thiết bị bay này cũng có khả năng giữ vị trí cố định trên không, cất/hạ cánh thẳng đứng và nhiều mức độ linh hoạt khác. 2 Tổng hợp lại, em có bảng so sánh bốn loại thiết bị bay không người lái trên như sau: Bảng 1.1 So sánh bốn loại thiết bị bay không người lái Loại thiết bị Điểm mạnh Điểm yếu Ứng dụng Giá thành Dạng cánh Hoạt động lâu dài Cần không gian Lập bản đồ 25k$ - 120k$ cứng Vùng hoạt động hoặc thiết bị để trên không (586.500 rộng phóng Kiểm tra - Tốc độ bay nhanh Không cất/hạ cánh đường ống 2.000 thẳng đứng hoặc giữ hoặc đường VND) vị trí cố định trên dây điện không Cần đào tạo nhiều và khó để điều khiển Giá thành đắt Dạng trực Cất/hạ cánh thẳng Nguy hiểm hơn Quét laze 25k$ - 300k$ thăng đứng và giữ vị trí Cần đào tạo nhiều và LIDAR (586.500 cố định khó để điều khiển trên không - Hoạt động lâu dài Giá thành đắt 7.000 (khi dùng động cơ VND) đốt trong) Khả năng mang tải nặng hơn Dạng lai Cất/hạ cánh thẳng Không hoàn hảo cả Giao hàng Chưa có giá đứng ở giữ vị trí cố định hóa chính xác, Hoạt động lâu dài trên không và bay đang trong thẳng quá trình phát Vẫn còn trong quá triển trình phát triển Đa động cơ Dễ tiếp cận Thời gian bay ngắn Quay phim 5k$ - 65k$ Dễ sử dụng Khả năng mang chụp ảnh (117.500 trên không - Cất/hạ cánh thẳng hàng nhỏ đứng và giữ vị trí Kiểm 1.500 cố định tra/giám sát VND) Kiểm soát trên không camera tốt Có thể hoạt động trong khu vực hạn chế Qua tổng hợp từ Bảng 1.1, có thể thấy thiết bị bay dạng đa động cơ dễ tiếp cận với thành rẻ hơn, dễ sử dụng và điều khiển hơn, có khả năng giữ vị trí cố định, kiểm soát camera tốt, có khả năng cất/hạ cánh thẳng đứng và hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường hơn các loại khác. Do đó, trong luận văn của 3 mình, em lựa thiết bị bay là phương tiện bay không người lái kiểu mới cỡ nhỏ - Miniature UAV, dạng đa động cơ để triển khai thử nghiệm các phương pháp điều khiển và xác lập lộ trình bay. Thiết bị bay dạng này thường được trang bị nhiều động cơ (3, 4, 6, hay 8 động cơ) nằm trên cùng một mặt phẳng ngang so với mặt đất, khác biệt so với thiết bị bay dạng cánh cứng, dạng trực thăng hay dạng lai.
Với đặc điểm đó, thiết bị bay không người lái dạng này thường được gọi chung là Multirotor/Multicopter hoặc theo số lượng động cơ cụ thể như sau: - Tricopter là thiết bị sử dụng 3 động cơ - Quadcopter là thiết bị sử dụng 4 động cơ - Hexacopter là thiết bị sử dụng 6 động cơ - Octocopter là thiết bị sử dụng 8 động cơ Trong đó, quadcopter là thiết bị phổ biến nhất bởi giá thành không quá cao, rẻ hơn hexacopter, octocopter và dễ điều khiển hơn tricopter. Vì vậy, em sử dụng thiết bị bay là một quadcopter (Hình 3.24) đã được em xây dựng và sẽ trình bày trong CHƯƠNG 2 của luận văn này. Thiết bị bay này có khả năng mang được camera và máy tính nhúng để phục vụ triển khai các phương pháp xác lập lộ trình bay và điều khiển tự động. Ngoài các thông tin chung về phương tiện bay không người lái mà em đã trình bày, thì một hệ thống bay không người lái có hai phần chính là (Hình 1.1): - Phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle) - Hệ thống điều khiển từ xa và truyền dữ liệu (Remote control – Data link) Hình 1.1 Hệ thống phương tiện bay không người lái Trên phương tiện bay không người lái, phần thân phương tiên bay (Aircraft body) là nơi lắp đặt các khối như: nguồn cấp năng lượng (Energy supply), máy tính xử lý (Computing power), cảm biến (Sensors), cơ cấu chấp hành/truyền động (Actuators), truyền thông giao tiếp (Communication module),.
Với thiết bị bay quadcopter, phần thân phương tiện bay được thiết kế tối giản hết mức vì chúng không dùng khoang lái như máy bay thông thường, không có đuôi và khung được thiết kế cân đối. Những phần cứng khác được đặt ở trung tâm của phần khung thiết bị bay. Có thể liệt kê các thành phần chính của một quadcopter như sau: - Cơ khí: khung (frame), tay đòn (arms), cánh quạt, động cơ,. 4 - Điện tử: bộ điều khiển bay (flight controller), bộ điều tốc (ESC – Electronic Speed Control), mạch quản lý nguồn, nguồn cấp năng lượng (pin), máy tính điều khiển,.
- Cảm biến: đo lường quán tính (IMU – Inertial Measurement Unit), camera, định vị vệ tinh (GNSS – Global Navigation Satellite System), cảm biến khoảng cách (LiDAR, RADAR, siêu âm,. - Truyền thông giao tiếp: thu/phát tín hiệu điều khiển radio, truyền/nhận dữ liệu,.