Tài liệu Nghiên cứu phương pháp điều khiển và xác lập lộ trình bay thời gian thực cho thiết bị bay không người lái

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phương pháp điều khiển và xác lập lộ trình bay thời gian thực cho thiết bị bay không người lái TRẦN VĂN CỘNG Ngành Kỹ thuật Điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Quang Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phương pháp điều khiển và xác lập lộ trình bay thời gian thực cho thiết bị bay không người lái TRẦN VĂN CỘNG Ngành Kỹ thuật Điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Quang Chữ ký của GVHD Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Trần Văn Cộng Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp điều khiển và xác lập lộ trình bay thời gian thực cho thiết bị bay không người lái Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số SV: 20202620M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 18 tháng 10 năm 2022 với các nội dung sau: - Thay đổi cấu trúc luận văn từ 6 chương thành 4 chương - Thêm danh mục thuật ngữ và chữ viết tắt - Thêm kết luận cho từng chương - Sửa lỗi chính tả và hình ảnh - Chỉnh sửa, bổ sung phần đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm Giảng viên hướng dẫn Ngày 02 tháng 11 năm 2022 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập và hoàn thành chương trình Kỹ sư tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, em có cơ hội để tiếp tục theo học Thạc sĩ Kỹ thuật Điện tử tại trường. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Anh Quang, Giảng viên hướng dẫn của em. Thầy là người đã tạo điều kiện cho em tham gia nghiên cứu và phát triển bản thân tại IVSR lab. Từ đó em được tiếp cận và nghiên cứu về thiết bị bay không người lái, được tạo cơ hội để em thực hiện luận văn của mình. Bên cạnh đó, em xin cảm ơn các bạn và các em là thành viên của IVSR lab đã đồng hành và hỗ trợ em trong suốt quá trình từ khi tham gia đến khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp. Em xin cảm gia đình, người thân và bạn bè đã ở bên cạnh động viên em trên hành trình học tập của mình. Cuối cùng, em xin cảm ơn các Thầy, Cô tại Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Điện – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em xin trân trọng cảm ơn. Hà Nội, ngày tháng Tác giả Trần Văn Cộng năm 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG ................................................................. 1 1.1 Phương tiện bay không người lái ............................................................... 1 1.2 Phương pháp điều khiển bay ...................................................................... 5 1.2.1 Mô hình điều khiển .......................................................................... 6 1.2.2 Phương pháp điều khiển bay theo vị trí ........................................... 8 1.2.3 Phương pháp điều khiển bay theo vận tốc ....................................... 9 1.2.4 Phương pháp điều khiển bay theo tư thế ........................................ 12 1.3 Phương pháp xác lập lộ trình bay............................................................. 18 1.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................. 19 1.3.2 Phương pháp xác lập lộ trình bay toàn cục .................................... 20 1.3.3 Phương pháp xác lập lộ trình bay cục bộ ....................................... 23 1.4 Kết luận chương ....................................................................................... 28 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG PHẦN CỨNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI QUADCOPTER ......................................................................................... 29 2.1 Thiết bị bay không người lái quadcopter ................................................. 29 2.2 Phần cứng thiết bị bay không người lái quadcopter ................................ 30 2.2.1 Khung thiết bị bay .......................................................................... 30 2.2.2 Động cơ .......................................................................................... 30 2.2.3 Bộ điều khiển tốc độ động cơ ......................................................... 32 2.2.4 Cánh quạt ........................................................................................ 32 2.2.5 Nguồn pin ....................................................................................... 33 2.2.6 Hệ thống quản lý bay ..................................................................... 34 2.2.7 Hệ thống các cảm biến ................................................................... 35 2.3 Thiết kế phần cứng thiết bị bay không người lái ..................................... 36 2.3.1 Lựa chọn hệ thống quản lý bay ...................................................... 36 2.3.2 Lựa chọn hệ thống cảm biến .......................................................... 37 2.3.3 Lựa chọn hệ thống bộ phận cơ khí ................................................. 37 2.4 Kết luận chương ....................................................................................... 51 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ .......................... 52 3.1 Chương trình điều khiển và xác lập lộ trình bay ...................................... 52 3.1.1 Chương trình điều khiển thiết bị bay theo vị trí ............................. 52 3.1.2 Chương trình xác lập lộ trình bay cục bộ ....................................... 58 i 3.2 Mô phỏng và thử nghiệm thực tế ..............................................................58 3.2.1 Nền tảng sử dụng ............................................................................58 3.2.2 Thiết bị sử dụng ..............................................................................69 3.2.3 Đánh giá kết quả .............................................................................74 3.3 Kết luận chương ........................................................................................95 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ..................................................................................96 4.1 Kết luận .....................................................................................................96 4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai .........................................96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................97 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống phương tiện bay không người lái ............................................ 4 Hình 1.2 Các vòng điều khiển bay ......................................................................... 5 Hình 1.3 Các trục tọa độ và góc quay trên thiết bị bay .......................................... 6 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ và lực/mô-men tác dụng lên khung thiết bị bay ........... 6 Hình 1.5 Hệ thống điều khiển có phản hồi .......................................................... 10 Hình 1.6 Tổng quan toàn bộ hệ thống PID .......................................................... 11 Hình 1.7 Phản hồi bước đơn vị điển hình ............................................................ 11 Hình 1.8 Đầu ra phẳng và khung tham chiếu ....................................................... 13 Hình 1.9 Ví dụ minh họa xác lập lộ trình bay ...................................................... 19 Hình 1.10 Quá trình thuật toán RRT mở rộng cây ............................................... 21 Hình 1.11 Hình ảnh mô phỏng 3D Circular Buffer ............................................. 24 Hình 1.12 Đường cong thu được từ các điểm sau khi dùng Uniform B - Spline 25 Hình 2.1 Các khu vực trên thiết bị bay quadcopter ............................................. 29 Hình 2.2 Chiều quay và thứ tự của bốn động cơ.................................................. 29 Hình 2.3 Khung và càng đáp của thiết bị bay quadcopter ................................... 30 Hình 2.4 Động cơ không chổi than outrunners .................................................... 31 Hình 2.5 Kích thước của động cơ không chổi than ............................................. 31 Hình 2.6 Bộ điều khiển tốc độ động cơ – ESC .................................................... 32 Hình 2.7 Kích thước của cánh quạt ...................................................................... 33 Hình 2.8 Mô hình cảm biến IMU ......................................................................... 35 Hình 2.9 Cảm biến LiDAR .................................................................................. 36 Hình 2.10 Giao diện bắt đầu của eCalc xCopter .................................................. 38 Hình 2.11 Chọn kích thước khung, cấu hình động cơ, góc nghiêng bộ điều khiển bay ........................................................................................................................ 38 Hình 2.12 Chọn cân nặng ước tính của thiết bị bay ............................................. 39 Hình 2.13 Chọn thông số môi trường .................................................................. 39 Hình 2.14 Chọn loại pin và trạng thái của pin ..................................................... 40 Hình 2.15 Một số loại pin có thể lựa chọn ........................................................... 40 Hình 2.16 Chọn cấu hình pin LiPo ...................................................................... 41 Hình 2.17 Các thông số khác cho pin LiPo.......................................................... 41 Hình 2.18 Chon các thông số của phụ kiện.......................................................... 41 Hình 2.19 Chọn kích thước cánh quạt dựa trên giới hạn của khung.................... 42 Hình 2.20 Chọn thông số cho cánh quạt .............................................................. 42 Hình 2.21 Chọn thông số cho cánh quạt (2) ........................................................ 42 Hình 2.22 Tiện ích đề xuất động cơ và bộ điều tốc ESC ..................................... 43 Hình 2.23 Danh sách động cơ được đề xuất ........................................................ 43 iii Hình 2.24 Thông số động cơ được chọn từ bảng đề xuất .....................................44 Hình 2.25 Chọn thông số động cơ ........................................................................44 Hình 2.26 Chọn thông số bộ điều khiển tốc độ động cơ ......................................44 Hình 2.27 Tùy chỉnh thông số cho bộ điều khiển tốc độ động cơ ........................45 Hình 2.28 Tổng hợp kết quả sau khi tính toán ......................................................46 Hình 2.29 Kết quả các thông số chính ..................................................................46 Hình 2.30 Kết quả tổng hợp về pin .......................................................................47 Hình 2.31 Kết quả tổng hợp về hiệu quả tối ưu của động cơ ...............................48 Hình 2.32 Kết quả tổng hợp về thông số cực đại của từng động cơ và công suất 48 Hình 2.33 Kết quả tổng hợp về từng động cơ khi giữ vị trí cố định .....................49 Hình 2.34 Kết quả tổng hợp về thông số toàn bộ thiết bị bay ..............................50 Hình 2.35 Kết quả tổng hợp về thiết bị bay ..........................................................50 Hình 2.36 Ký hiệu khả năng điều khiển thiết bị bay khi có động cơ bị lỗi ..........51 Hình 3.1 Sơ đồ khối chương trình điều khiển bay theo vị trí ...............................52 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển bay offboard ......................53 Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển nhiệm vụ bay theo tọa độ ENU/GPS .........................................................................................................55 Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển nhiệm vụ bay theo tọa độ từ chương trình xác lập lộ trình bay .................................................................57 Hình 3.5 Sơ đồ khối chương trình xác lập lộ trình bay cục bộ .............................58 Hình 3.6 Logo của ROS ........................................................................................59 Hình 3.7 Sơ đồ khối truyền thông của hai node thông qua ROS Master..............60 Hình 3.8 Truyền nhận dữ liệu qua topic ...............................................................63 Hình 3.9 Truyền nhận dữ liệu qua service ............................................................64 Hình 3.10 Truyền nhận dữ liệu qua action ...........................................................65 Hình 3.11 Tổng hợp ROS Computation Graph ....................................................66 Hình 3.12 Giao diện phần mềm trạm mặt đất QgroundControl ...........................67 Hình 3.13 Giao diện phần mềm mô phỏng Gazebo..............................................68 Hình 3.14 Khung thiết bị bay Tarot Ironman 650 foldable ..................................69 Hình 3.15 Bộ điều khiển bay HolyBro Pixhawk 4 ...............................................70 Hình 3.16 Máy tính song hành NVIDIA Jetson Nano ..........................................70 Hình 3.17 Bộ thu GPS Pixhawk 4 Neo-M8N .......................................................70 Hình 3.18 Camera chiều sâu Intel RealSense D435 .............................................71 Hình 3.19 Động cơ T-Motor MN4010-9 ..............................................................71 Hình 3.20 Bộ điều khiển tốc độ động cơ Hobbywing XRotor 40A .....................71 Hình 3.21 Cánh quạt các-bon DJI form 15x5.5 ....................................................71 Hình 3.22 Pin LiPo Tattu 10000mAh, 4S, 35C ....................................................71 Hình 3.23 Thiết bị bay trong quá trình lắp đặt......................................................72 iv Hình 3.24 Thiết bị bay hoàn thiện ........................................................................ 72 Hình 3.25 Bộ điều khiển thiết bị bay cầm tay (Remote control) ......................... 73 Hình 3.26 Thiết bị bay chuẩn bị trước khi thử nghiệm ........................................ 73 Hình 3.27 Khởi chạy môi trường mô phỏng và thiết bị bay ................................ 75 Hình 3.28 Khởi chạy chương trình điều khiển offboard trong ROS ................... 75 Hình 3.29 Chọn chế độ nhiệm vụ bay và tải các điểm tham chiếu đặt trước ...... 76 Hình 3.30 Mô phỏng thiết bị bay cất cánh và giữ vị trí tại (0, 0, 3) .................... 76 Hình 3.31 Mô phỏng thiết bị bay tới điểm tham chiếu đầu tiên .......................... 77 Hình 3.32 Mô phỏng thiết bị bay tới điểm tham chiếu thứ hai ............................ 77 Hình 3.33 Mô phỏng thiết bị bay tới điểm tham chiếu thứ ba ............................. 77 Hình 3.34 Mô phỏng thiết bị bay hạ cánh tại điểm tham chiếu cuối cùng .......... 78 Hình 3.35 Quỹ đạo bay mô phỏng hiển thị trên bản đồ ....................................... 78 Hình 3.36 Đồ thị biểu diễn quỹ đạo mô phỏng trên mặt phẳng XY .................... 79 Hình 3.37 Đồ thị vị trí trong mô phỏng theo thời gian trên trục X ...................... 79 Hình 3.38 Đồ thị vị trí trong mô phỏng theo thời gian trên trục Y ...................... 80 Hình 3.39 Đồ thị vị trí trong mô phỏng theo thời gian trên trục Z ...................... 80 Hình 3.40 Quỹ đạo bay mô phỏng được biểu diễn lại ......................................... 81 Hình 3.41 Độ cao khi cất cánh trong mô phỏng đo được trong rviz.................... 81 Hình 3.42 Độ cao tại điểm tham chiếu đầu tiên trong mô phỏng đo được trong rviz ........................................................................................................................ 82 Hình 3.43 Độ cao tại điểm tham chiếu thứ hai trong mô phỏng đo được trong rviz .............................................................................................................................. 82 Hình 3.44 Độ cao tại điểm tham chiếu thứ ba trong mô phỏng đo được trong rviz .............................................................................................................................. 82 Hình 3.45 Khoảng cách giữa điểm tham chiếu 1 và 2 trong mô phỏng đo trong rviz ........................................................................................................................ 83 Hình 3.46 Khoảng cách giữa điểm tham chiếu 2 và 3 trong mô phỏng đo trong rviz ........................................................................................................................ 83 Hình 3.47 Khoảng cách giữa điểm bắt đầu và hạ cánh trong mô phỏng đo trong rviz ........................................................................................................................ 83 Hình 3.48 Thiết bị bay ở vị trí xuất phát .............................................................. 84 Hình 3.49 Thiết bị bay cất cánh lên và giữ vị trí tại (0, 0, 3) ............................... 84 Hình 3.50 Thiết bị bay tới điểm tham chiếu đầu tiên........................................... 85 Hình 3.51 Thiết bị bay tới điểm tham chiếu thứ hai ............................................ 85 Hình 3.52 Thiết bị bay tới điểm tham chiếu thứ ba ............................................. 85 Hình 3.53 Thiết bị bay hạ cánh tại điểm tham chiếu cuối cùng ........................... 86 Hình 3.54 Quỹ đạo bay hiển thị trên bản đồ ........................................................ 86 Hình 3.55 Đồ thị biểu diễn quỹ đạo trên mặt phẳng XY ..................................... 87 v Hình 3.56 Đồ thị vị trí theo thời gian trên trục X .................................................87 Hình 3.57 Đồ thị vị trí theo thời gian trên trục Y .................................................88 Hình 3.58 Đồ thị vị trí theo thời gian trên trục Z..................................................88 Hình 3.59 Quỹ đạo bay được biểu diễn lại ...........................................................88 Hình 3.60 Độ cao khi cất cánh đo trong rviz ........................................................89 Hình 3.61 Độ cao điểm tham chiếu đầu tiên (6, 0, 6) đo trong rviz .....................89 Hình 3.62 Độ cao điểm tham chiếu thứ hai (6, 6, 6) đo trong rviz .......................89 Hình 3.63 Độ cao điểm tham chiếu thứ ba (0, 6, 6) đo trong rviz ........................90 Hình 3.64 Khoảng cách giữa điểm tham chiếu 1 và 2 đo trong rviz ....................90 Hình 3.65 Khoảng cách giữa điểm tham chiếu 2 và 3 đo trong rviz ....................90 Hình 3.66 Khoảng cách giữa điểm bắt đầu và điểm hạ cánh đo trong rviz ..........91 Hình 3.67 Thiết bị bay giữ vị trí tại (0, 0, 3) ........................................................92 Hình 3.68 Thiết bị bay bay đến điểm bắt đầu quỹ đạo bay toàn cục ....................93 Hình 3.69 Thiết bị bay tránh vật cản trên quỹ đạo bay toàn cục ..........................93 Hình 3.70 Thiết bị bay đến điểm quay đầu trên quỹ đạo toàn cục .......................94 Hình 3.71 Thiết bị bay tránh vật cản lần 2............................................................94 Hình 3.72 Thiết bị bay hạ cánh tại điểm cuối cùng ..............................................95 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh bốn loại thiết bị bay không người lái ........................................3 Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 1.2 Ảnh hưởng của việc tăng một tham số độc lập ....................................12 1.3 Thuật toán RRT ....................................................................................21 2.1 Tổng khối lượng các bộ phận đã chọn .................................................45 3.1 Ví dụ về các parameter .........................................................................61 3.2 Ví dụ một tệp tin message .msg ...........................................................62 3.3 Ví dụ một tệp tin service .srv ...............................................................64 Bảng 3.4 Tổng hợp các phần cứng thiết bị bay ...................................................72 Bảng 3.5 Mô tả kịch bản bay trong môi trường không có vật cản ......................74 Bảng 3.6 Mô tả kịch bản bay trong môi trường có vật cản .................................91 vi DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Thuật ngữ/Chữ viết tắt Giải thích 1 UAV Unmanned Aerial Vehicle: phương tiện bay không người lái 2 VTOL Vertical Take-Off and Landing: Loại máy bay có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng mà không cần dựa vào đường băng 3 Quadcopter/quadrotor Thiết bị bay không người lái sử dụng 4 động cơ đối xứng theo phương ngang, với hướng lực đẩy thẳng đứng 4 IMU Inertial Measurement Unit: Đơn vị đo lường quán tính là một thiết bị điện tử đo và báo cáo lực, tốc độ góc và đôi khi là hướng, sử dụng kết hợp gia tốc kế, con quay hồi chuyển và đôi khi là từ kế 5 GNSS Global Navigation Satellite System: Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 6 LiDAR Light Detection And Ranging: là phương pháp khảo sát đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia laze xung quanh và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến 7 RADAR Radio Dectection And Ranging: là hệ thống dò tìm sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách (phạm vi), góc phương vị hoặc vận tốc của 1 hoặc nhiều đối tượng 8 PID Proportional Integral Derivative: điều khiển tỉ lệ, tích phân và vi phân 9 RRT Rapidly exploring Random Tree: Thuật toán tìm kiếm nhanh cây ngẫu nhiên 10 VIO Visual Inertial Odometry: Phép đo quán tính trực quan sử dụng trong thị giác máy tính 11 MoCap Motion Capture: hệ thống bắt chuyển động 12 Offboard Chế độ điều khiển tự động bằng máy tính song hành trên nền tảng firmware PX4 vii CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG 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 Dạng cứng Điểm mạnh Điểm yếu Ứng dụng Giá thành Cần không gian Lập bản đồ Vùng hoạt động hoặc thiết bị để trên không phóng rộng Kiểm tra Tốc độ bay nhanh Không cất/hạ cánh đường ống thẳng đứng hoặc giữ hoặc đường vị trí cố định trên dây điện không 25k$ - 120k$ cánh Hoạt động lâu dài (586.562.500 2.815.500.000 VND) Cần đào tạo nhiều và khó để điều khiển Giá thành đắt Dạng thăng trực Cất/hạ cánh thẳng Nguy hiểm hơn Quét laze đứng và giữ vị trí Cần đào tạo nhiều và LIDAR trên không cố định khó để điều khiển Hoạt động lâu dài Giá thành đắt (khi dùng động cơ đốt trong) 25k$ - 300k$ (586.562.500 7.038.750.000 VND) 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, trên không và bay đang trong Hoạt động lâu dài thẳng quá trình phát triển Vẫn còn trong quá trình phát triển Đa động cơ Dễ tiếp cận Thời gian bay ngắn Khả năng Cất/hạ cánh thẳng hàng nhỏ đứng và giữ vị trí cố định Dễ sử dụng Kiểm camera tốt soát Quay phim 5k$ - 65k$ mang chụp ảnh (117.312.500 trên không Kiểm 1.525.062.500 tra/giám sát VND) trên không 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,... 1.2 Phương pháp điều khiển bay Phương tiện bay không người lái sử dụng các vòng điều khiển kín hoặc mở hoặc kiến trúc điều khiển kết hợp (hybrid) - Vòng điều khiển mở: điều khiển vị trí mà không cần các dữ liệu phản hồi từ các cảm biến: nhanh hơn/chậm hơn, sang trái/sang phải, lên trên/xuống dưới, ... - Vòng điều khiển kín: cần có các dữ liệu phản hồi từ các cảm biến để điều khiển các hành vi của phương tiện bay: di chuyển đến độ cao 50m, ... Các vòng điều khiển kín thường sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Hình 1.2 mô tả các vòng điều khiển bay điển hình trên các phương tiện bay không người lái. Hình 1.2 Các vòng điều khiển bay Trong hình bao gồm bộ điều khiển bay (Flight control) và các cảm biến (Sensors). Bên trong bộ điều khiển bay là các thuật toán (Algorithms) và các phương pháp điều khiển bay bao gồm: điều khiển vị trí (Position control), điều khiển vận tốc (Velocity control) và điều khiển tư thế (Attitude control). Điều khiển vị trí là phương pháp điều khiển sử dụng vị trí của thiết bị bay trong hệ tọa độ (Oxyz) hay vị trí theo định vị vệ tinh toàn cầu GPS (altitude, latitude, longitude). Điều khiển vận tốc là phương pháp điều khiển tốc độ bay theo trục Ox, Oy và Oz để đưa thiết bị bay đến vị trí mong muốn. Điều khiển tư 5 thế là phương pháp điều khiển bay phức tạp nhất, sử dụng vị trí, vận tốc và các góc quay (roll, pitch, yaw) để điều khiển thiết bị bay ổn định hơn (Hình 1.3). Hình 1.3 Các trục tọa độ và góc quay trên thiết bị bay 1.2.1 Mô hình điều khiển 1.2.1.1. Mô hình động học Trước khi đi vào các phương pháp điều khiển, em sẽ trình bày về mô hình điều khiển và bắt đầu với mô hình động học của thiết bị bay. Hệ thống hệ tọa độ và sơ đồ phần thân tự do của thiết bị bay quadcopter được thể hiện trong Hình 1.4. Hình 1.4 Hệ thống tọa độ và lực/mô-men tác dụng lên khung thiết bị bay Trong hình là các hệ tọa độ và các lực tác động trên khung (frame) của quadcopter. Khung cố định (world), ký hiệu W, được xác định bằng các trục xW, yW và zW (với zW hướng lên trên). Khung gắn với thiết bị bay (body), ký hiệu B, được gắn với trọng tâm của quadcopter, với xB trùng với hướng di chuyển về phái trước và zB vuông góc với mặt phẳng các động cơ và hướng lên trên. Động cơ số 1 và số 2 lần lượt nằm trên nửa dương của trục xB và yB. Động cơ số 3 và số 4 thì lần lượt nằm trên nửa âm của trục xB và yB. Để tính mô hình hóa chuyển động quay (rotation) của quadcopter trong khung world, ta sử dụng các góc Euler Z-X-Y. Chuyển từ khung W sang B bằng cách: quay zW theo góc yaw (ψ), sau đó quay trục x trung gian theo góc roll (ϕ) 6 và cuối cùng quay trục yB theo góc pitch (θ). Ma trận xoay để chuyển đổi tọa độ từ khung B sang W được tính như sau: PT 1.1 Trong đó: - cψ và sψ: cos(ψ) và sin(ψ) cϕ và sϕ: cos(ϕ) và sin(ϕ) cθ và sθ: cos(θ) và sin(θ) Véc-tơ vị trí của trọng tâm trong khung world được ký hiệu là r. Trọng lực hướng theo chiều -zW và các lực từ mỗi động cơ, Fi, hướng theo chiều zB. Phương trình gia tốc tại trọng tâm là: PT 1.2 Các thành phần vận tốc góc của thiết bị bay trong khung body ký hiệu là p, q và r. Các giá trị được tính theo đạo hàm các góc quay roll, pitch và yaw theo phương trình: PT 1.3 Ngoài các lực tác động, mỗi động cơ tạo ra một mô-men vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt, ký hiệu là Mi. Động cơ 1 và 3 quay trong hướng (-zB) trong khi động cơ 2 và 4 quay trong hướng zB. Do mô-men được sinh ra trên quadcopter ngược với hướng quay của các cánh quạt nên M1, M3 tác động theo hướng zB (ngược chiều kim đồng hồ) trong khi M2, M4 tác động theo hướng (-zB) (chiều kim đồng hồ). Gọi L là khoảng cách từ các trục của động cơ đến tâm của quadcopter. Ma trận của mô-men quán tính tham chiều đến trọng tâm dọc theo các trục xB – yB – zB được ký hiệu là I. Gia tốc góc được xác định theo phương trình Euler như sau: PT 1.4 7 1.2.1.2. Mô hình động cơ Với mô hình động cơ, mỗi động cơ có một tốc độ góc, được ký hiệu là ωi, và tạo ra lực đẩy theo phương thẳng đứng, ký hiệu là Fi, được tính theo phương trình: PT 1.5 Trong đó, kF là hằng số, có giá trị kF . Bên cạnh lực đẩy, các động cơ cũng tạo ra một mô-men được tính theo phương trình: PT 1.6 Trong đó, kM là hằng số có giá trị khoảng Mối liên hệ chính xác giữa tốc độ động cơ thực tế và tốc độ được điều khiển là một hàm phức tạp của bộ điều khiển động cơ, cánh quạt và động học của động cơ. Hiệu suất thực là một hàm số của tốc độ động cơ cho dù tốc độ đang tăng hay đang giảm. Tuy nhiên, để đơn giản, một mô hình động cơ bậc một đơn giản sẽ được sử dụng. Tốc độ động cơ được tính gần đúng từ tốc độ được điều khiển bởi một phương trình vi phân bậc nhất: PT 1.7 Trong đó, km là hệ số của động cơ, có giá trị khoảng mong muốn . là vận tốc góc 1.2.2 Phương pháp điều khiển bay theo vị trí Phương pháp điều khiển bay theo vị trí là phương pháp sử dụng vị trí của thiết bị bay trong hệ tọa độ (Oxyz) hay vị trí theo định vị vệ tinh toàn cầu GPS (altitude, latitude, longitude) để điều khiển thiết bị bay không người lái. Với vị trí sử dụng tọa độ (Oxyz), thiết bị bay không người lái sẽ sử dụng hệ tọa độ ENU (east-north-up). Đây là hệ tọa độ phẳng tiếp tuyến cục bộ (local tangent plane coordinates). Điều khiển vị trí gồm hai bộ điều khiển và sử dụng góc roll và góc pitch (tương ứng trên trục x và trục y của hệ tọa độ) để điều khiển thiết bị bay. Đầu tiên là điều khiển giữ vị trí cố định trên không được sử dụng để duy trì vị trí tại tọa độ (x, y, z) mong muốn.Và thứ hai là điều khiển bám theo quỹ đạo ba chiều. 1.2.2.3. Bộ điều khiển giữ vị trí cố định trên không - Hover Controller Bộ điều khiển giữ vị trí cố định sử dụng góc pitch và góc roll để điều khiển vị trí trong mặt phẳng xW và yW, u4 để điều khiển góc yaw và u1 để điều khiển vị trí dọc theo zW. Chúng ta gọi rT (t) và ψT (t) là quỹ đạo và góc yaw mà thiết bị bay cần cố gắng để bám theo. Nếu ψT (t) = ψ0, chúng ta sẽ có bộ điều khiển giữ , được tính toán từ phản hồi PID về vị trí cố định. Các gia tốc mong muốn, , như sau: sai số vị trí, PT 1.8 8