Tài liệu TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Mã số: T2014-01 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Chánh Nghiệm Cần Thơ, 12/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Mã số: T2014-01 Xác nhận của trường Đại học Cần Thơ (ký, họ tên, đóng dấu) Cần Thơ, 12/2014 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác 1 Nguyễn Chánh Nghiệm Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ 2 Nguyễn Thanh Nhã Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ 3 Trần Nhựt Thanh Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT 1 Tên đơn vị Họ và tên người đại diện đơn vị Bộ môn Tự động hóa, Khoa TS. Võ Minh Trí, Trưởng Bộ môn Công Nghệ, Đại học Cần Thơ ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH............................................................................................................v  DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. vi  DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vii  TÓM LƯỢC ................................................................................................................... viii  THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... ix  PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................1  1.  Tổng quan tình hình nghiên cứu ...................................................................................2  2.  Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................2  3.  Mục tiêu ........................................................................................................................4  4.  Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................4  5.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................4  6.  Nội dung nghiên cứu ....................................................................................................4  PHẦN KẾT QUẢ ...............................................................................................................6  CHƯƠNG 1.  MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH BỐN CÁNH QUẠT..............7    Thiết kế quadrotor .....................................................................................................7    Một số cải tiến...........................................................................................................7  1.2.1  Cải tiến về phần cứng............................................................................................7  1.2.2  Hiệu chỉnh PID....................................................................................................11  CHƯƠNG 2.  HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU .....................................................13    Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu .................................................................13    Các thành phần của hệ thống gps ...........................................................................13  2.2.1  Thành phần không gian (space segment): ...........................................................14  iii 2.2.2  Thành phần điều khiển (control segment)...........................................................15  2.2.3  Thành phần người dùng (user segment)..............................................................16    Xác định tọa độ định vị từ gps ................................................................................17    Các nguồn sai số .....................................................................................................19    Một số kỹ thuật cải thiện sai số ..............................................................................22  2.5.1  GPS vi sai (DGPS) ..............................................................................................23  2.5.2  GPS động thời gian thực (RTK-GPS) .................................................................24  CHƯƠNG 3.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................26    Đánh giá độ chính xác của máy thu GPS giá rẻ trong kỹ thuật đo động rtk ..........26  3.1.1  Thiết bị ................................................................................................................27  3.1.2  Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................28  3.1.3  Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................31    Thí nghiệm bay .......................................................................................................38  3.2.1  Lựa chọn máy thu GPS .......................................................................................38  3.2.2  Bố trí thí nghiệm .................................................................................................39  3.2.3  Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................43  PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................44  1.  Kết luận.......................................................................................................................45  2.  Kiến nghị ....................................................................................................................45  iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 2.1. Hình 2.2. Hình 2.3. Hình 2.4. Hình 2.5. Hình 2.6. Hình 2.7. Hình 2.8. Hình 2.9. Hình 2.10. Hình 2.11. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. (a) Mô hình CAD của quadrotor. (b) Mô hình thực tế .....................................8 Mô hình quadrotor năm 2013 (a) và mô hình cải tiến năm 2014 (b) ...............8 Bộ điều khiển cân bằng quadrotor .................................................................11 Các thành phần của hệ thống GPS .................................................................13 Phần không gian của GPS .............................................................................14 Các thành phần của trạm điều khiển .............................................................15 Vị trí lắp đặt các trạm của thành phần điều khiển ..........................................16 Các bước để xác định vị trí bằng GPS ...........................................................17 Phép đo 3 cạnh tam giác (trilateration) từ vệ tinh ..........................................18 Các nguồn lỗi trong định vị ...........................................................................20 Lỗi do sai lệch quỹ đạo vệ tinh ......................................................................21 Sai số do hiện tượng đa tuyến gây ra .............................................................22 Cấu hình và độ chính xác của một số kỹ thuật đo..........................................24 Hệ thống DGPS .............................................................................................24 Giao diện cấu hình chế độ PPP Static cho RTKNAVI ..................................30 Bố trí thí nghiệm tĩnh với (a) chế độ định vị thông thường và (b) chế độ định vị PPP Static ...................................................................................................31 Bố trí thí nghiệm động ...................................................................................31 Độ lệch vị trí (lần lượt từ trên xuống theo phương Đông-Tây, phương BắcNam, phương thẳng đứng) theo thời gian khi thu thập trực tiếp từ máy thu GPS.................................................................................................................32 (a) Vị trí đo. (b) Độ lệch vị trí theo thời gian (lần lượt từ trên xuống theo phương Đông-Tây, phương Bắc-Nam, phương thẳng đứng) trong thí nghiệm tĩnh với chế độ PPP-Static ..............................................................................34 Trạm động và địa điểm thí nghiệm ................................................................34 (a) Vị trí và (b) độ lệch vị trí của trạm động ở trạng thái tĩnh theo thời gian trong thí nghiệm động ....................................................................................36 Vị trí trạm động sau (a) 1 lần và (b) 3 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông ........................................................................................................................36 Độ lệch vị trí trạm động (lần lượt từ trên xuống theo phương Đông-Tây, phương Bắc-Nam, phương thẳng đứng) theo thời gian trong 9 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông ................................................................................37  Vị trí trạm động sau 9 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông .....................37  Thí nghiệm bay kiểm tra độ chính xác GPS ..................................................39  Vị trí thí nghiệm .............................................................................................40  Các thông số bộ điều khiển quadrotor............................................................41  Kết quả đáp ứng bộ điều khiển độ cao ...........................................................42  (a) Thông số HDOP và (b) số lượng vệ tinh trong thí nghiệm bay ...............42  v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. Bảng 3.5: So sánh thiết bị mô hình quadrotor mới và mô hình cũ ...................................9  Nguồn sai số và sai số tương ứng đối với GPS thông dụng ...........................22  So sánh sai số khi sử dụng kỹ thuật DGPS ....................................................23  Thông tin về các thí nghiệm ...........................................................................29  Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tọa độ trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh ..................................................................................................................34  Độ lệch của vị trí trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh. .................................34  Độ lệch vị trí trạm động đo ở trạng thái tĩnh trong thí nghiệm động .............34  Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS ............................................38  vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Diễn giải DGPS Differential GPS GPS Global Positioning System GNSS Global Navigation Satellite System PPP Precise Point Positioning RTK Real-Time Kinematic SBAS Satellite-Based Augmentation Systems vii TÓM LƯỢC Đề tài “Tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt dùng để thu thập không ảnh” nghiên cứu vấn đề định vị và tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình nhằm sớm đưa loại máy bay này vào ứng dụng trong thu thập không ảnh, giám sát môi trường, v.v. theo hành trình định trước. Đề tài quan tâm đặc biệt đến độ chính xác trong định vị với các máy thu GPS, ăng ten GPS thông dụng, có giá thành thấp. Từ đó, đề tài đưa ra lựa chọn máy thu và ăng ten thu phù hợp, trình bày nghi thức giao tiếp với máy thu để có thể tích hợp vào mạch điều khiển bay của máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt sẵn có từ đề tài nghiên cứu trước đây đồng thời đưa ra giải pháp để việc định vị của máy bay có độ chính xác chấp nhận được cùng với giải pháp nâng cao độ chính xác. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số định vị đạt yêu cầu đặt ra (nhỏ hơn 2 mét) và đồng thời mở ra hướng giảm sai số định vị xuống cấp độ decimet. ABSTRACT This project, entitled “Implementing GPS module for quadrotor for capturing aerial images” studied about positioning using GNSS and implementing GPS modules for quadrotors so that they can be applied in aerial imaging, environmental monitoring, etc., with predefined itinerary. The project especially focused on the positioning precision with low-cost and common GPS receivers and antennas. In the project, guidelines for GPS receivers and antennas have been proposed. The interface protocol of the selected GPS receiver has been introduced to implement the receiver to the flight controller of the quadrotor which is the product of the previous project. In addition, a method to achieve the acceptable positioning precision as well as to improve the positioning precision has been proposed. Experimental results showed that the positioning precision was within 2 meters, which satisfied the goal of the project, and showed the possibility of improving the positioning precision to decimeter level. viii TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Đơn vị: Khoa Công Nghệ THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt dùng để thu thập không ảnh - Mã số: T2014-01 Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Chánh Nghiệm Cơ quan: Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Thời gian thực hiện: Từ ngày 01 tháng 04 năm 2014 đến ngày 31 tháng 12 năm 2014 2. Mục tiêu: - Tích hợp hệ thống định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng 4 cánh quạt để có thể thu thập được ảnh tại vị trí mong muốn 3. Tính mới và sáng tạo: - Định vị là một yêu cầu tất yếu cho máy bay có thể bay theo hành trình tự động. Nghiên cứu này quan tâm đặc biệt đến độ chính xác của việc định vị để sớm ứng dụng được loại máy bay trong thu thập không ảnh, giám sát môi trường, v.v. Kết quả nghiên cứu còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điều khiển tự động khác như các ứng dụng nông nghiệp chính xác. 4. Kết quả nghiên cứu: - Chọn lựa loại thiết bị định vị GPS thông dụng có đặc tính kỹ thuật phù hợp. Tìm hiểu nghi thức giao tiếp với thiết bị định vị GPS để tích hợp vào máy bay 4 cánh quạt đã có từ kết quả nghiên cứu trước đó. Đánh giá sai số tĩnh và/hoặc động của thiết bị định vị GPS sau khi tích hợp. Tìm hiểu giải thuật bay tự động theo hành trình định trước sử dụng tọa độ thu được từ máy thu GPS. Thực nghiệm và viết báo cáo khoa học bao gồm báo cáo tổng kết đề tài và bài báo gửi tạp chí trong nước có mã số ISSN. Đang hướng dẫn 02 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học. ix 5. Sản phẩm: - 01 mô hình máy bay 4 cánh quạt với một số cải tiến, có sai số định vị trong khoảng 2 mét. - 01 chương trình giao tiếp giữa thiết bị định vị và mạch điều khiển máy bay. - 02 LVTN đại học đang thực hiện - 01 bài báo gửi cho tạp chí khoa học có mã số ISSN. 01 bài báo cáo tại Hội nghị toàn quốc lần 7 về Cơ điện tử, Đồng Nai, 2122/11/2014, DOI: 10.15625/VCM.2014-308. (ISBN: 978-604-913-306-0) 01 bài báo cáo tại Hội thảo quốc gia về ứng dụng GIS 2014, Cần Thơ, 2829/11/2014. (ISBN: 978-604-919-249-4) - 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Hiệu quả kinh tế - xã hội: Ứng dụng máy bay để quan sát từ trên không hiện trạng tài nguyên thiên nhiên như giám sát cảnh báo cháy rừng, phát hiện lâm tặc, theo dõi tốc độ “trọc hóa” các khu rừng, v.v. - Hiệu quả an ninh - quốc phòng: Ứng dụng trong lĩnh vực cứu nạn như tìm người thất lạc trong rừng, trong các trận bão, lũ quét, v.v. Thực hiện trinh thám trong công tác quốc phòng. - Hiệu quả đào tạo: Mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển tự động tại trường Đại học Cần Thơ. Nâng cao chất lượng đào tạo ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử thông qua việc thiết kế các mô hình bay, xây dựng và áp dụng các giải thuật điều khiển tự động cho các loại máy bay không người lái. - Hiệu quả khoa học: Cung cấp giải pháp thu thập ảnh trên không, hỗ trợ thu thập dữ liệu trong các lĩnh vực nghiên cứu bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên. Ngày 24 tháng 12 năm 2014 Xác nhận của Trường Đại học Cần Thơ Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Nguyễn Chánh Nghiệm x INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Implementing GPS module for quadrotor for capturing aerial images Code number: T2014-01 Coordinator: Dr. Nguyen Chanh Nghiem Implementing institution: College of Engineering Technology, Can Tho University Duration: from April 1st, 2014 to December 31st, 2014 2. Objective(s): - Implementing GPS module for quadrotor to capture images at desired location. 3. Creativeness and innovativeness: - Positioning is crucial for a quadrotor to fly automously in an predefined itenarary. The main goal of this research is the positioning precision to foster applications of quadrotors in aerial imaging, remote sensing, etc. The results are also significant for the field of automation; for example, precise farming. 4. Research results: - Selection guidelines for common GPS receiver modules Protocols to implement GPS for quadrotor which was developed in the previous project Evaluation of positioning precision in static and kinematic mode Guidelines for autonomous mission for quadrotors Project report and submission of 01 ISSN journal paper Supervising 02 bachelor theses 5. Products: - 01 quadrotor with certain upgraded specifications and with less than 2 meter positioning precision - 01 application as interface between GPS receiver module and flight controlller xi - 02 ongoing bachelor theses under supervision - 01 ISSN journal paper submission - 01 conference paper presented at the 7th Vietnam Conference on Mechatronics, Dong Nai, Nov. 21-22, 2014, DOI: 10.15625/VCM.2014-308. (ISBN: 978-604913-306-0) 01 conference paper presented at Vietnam National Conference on Applying GIS, Can Tho, Nov. 28-29, 2014. (ISBN: 978-604-919-249-4) - 6. Effects, technology transfer means and applicability: - Socio-economics effect: Supervisory and monitoring of natural resources by analyzing aerial images captured by the quadrotor such as monitoring and early warning of forest fire, surveillance of illegal logging, deforestation monitoring, etc. - Public safety and national defense effect: Search and rescue of victims of tropical cyclones or floods, detective missions. - Educational effect: Initiate a new research theme in automation and control in Can Tho University, promote Mechatronics education with design of unmanned aerial vehicles (UAV) and development and implementation of various control algorithms for these UAV models. - Scientific effect: Provide another approach in aerial image capture, data acquisition for studies on environmental and natural resources conservation. xii PHẦN MỞ ĐẦU Phần này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước. Tính cấp thiết và mục tiêu đề tài sẽ được đề cập. Từ đó, nội dung và phương pháp nghiên cứu sẽ được đề xuất, đối tượng và phạm vi nghiên cứu sẽ được xác định giúp độc giả dễ dàng theo dõi phần nội dung và kết quả nghiên cứu. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 Đại học Cần Thơ 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Máy bay trực thăng nhiều cánh quạt (multirotor) là một trong số các phương tiện bay không người lái đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu vì có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh đặc biệt là lĩnh vực cứu hộ ở những môi trường nguy hiểm. Mô hình máy bay này được nhiều công ty thiết kế và phát triển không những dành cho ngành công nghiệp giải trí dưới dạng đồ chơi công nghệ cao mà còn phục vụ cho việc thực tập, nghiên cứu dưới dạng những bộ thí nghiệm [1]-[2]. Nhiều nghiên cứu đã thực hiện mô hình hóa và đề xuất nhiều giải thuật điều khiển khác nhau cho loại máy bay nhiều cánh quạt này [3]-[6]. Để đưa vào ứng dụng, hệ thống định vị toàn cầu đã được tích hợp để máy bay có thể tự hành trong một khu vực định trước [7]. Loại máy bay mô hình này được tích hợp camera giúp thu thập không ảnh để giúp đánh giá hiện trạng ban đầu khu vực cần quan sát (khu vực sau cơn lũ, tình trạng đám cháy), hỗ trợ cứu nạn trong những khu vực nguy hiểm cho con người. Gần đây nhất, một dự án lớn nghiên cứu sử dụng loại máy bay mô 4 cánh quạt đang được triển khai để giúp mang phao cứu sinh cho những người đang đứng trước nguy cơ chết đuối trên biển Caspian, nước Iran [8]. Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng máy bay trực thăng 4 cánh quạt trong nước bắt đầu được quan tâm. Năm 2011, mô hình động lực học của loại máy bay được giới thiệu và mở đầu cho hướng nghiên cứu này tại các học viện và trường đại học trong cả nước [9]. Một số đề tài nghiên cứu khoa học trong sinh viên đã được triển khai để thiết kế các mô hình máy bay này [10]. Gần đây nhất, hệ thống điều khiển, thu thập và xử lý thông tin của loại máy bay này được nghiên cứu và xây dựng cho các ứng dụng trong lĩnh vực nhà thông minh và quân sự [11]. Tuy nhiên, vấn đề thiết kế máy bay 4 cánh quạt để thu thập không ảnh vẫn chưa được thực hiện tại các học viện và trường đại học. Việc tích hợp thiết bị định vị toàn cầu GPS cho loại máy bay này để thu thập không ảnh một cách tự động tại vị trí mong muốn hay theo hành trình định trước cũng chưa được quan tâm. 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Máy bay trực thăng đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công tác an ninh – quốc phòng như giám sát các nguồn tài nguyên thiên nhiên (phòng chống cháy rừng, kiểm lâm, v.v.), hỗ trợ công tác cứu hộ ở các vùng lũ quét, giúp đánh giá ban đầu tình trạng thiệt hại do thiên tai gây ra. Tuy nhiên, chi phí sử dụng, bảo trì cao và đòi hỏi quá trình tập huấn lâu dài. Để giảm thiểu chi phí trên, nhiều máy bay trực thăng dạng nhiều cánh quạt có thiết kế nhỏ gọn đang được quan tam nghiên cứu và phát triển. Ngoài thiết kế nhỏ gọn, dạng máy bay mô 2 Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 Đại học Cần Thơ hình này còn có thể được gắn camera và được điều khiển từ xa giúp người sử dụng quan sát những khu vực có yếu tố nguy hiểm đến sức khỏe con người (môi trường phóng xạ, khói độc,…). Đáp ứng yêu cầu trên, đề tài nghiên cứu cấp trường “Thiết kế máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt để thu thập không ảnh”, Mã số: T2013-16, đã được thực hiện. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí, đề tài này chưa phát triển được khả năng tự hành cho máy bay. Điều này là yếu tố tiên quyết cho nhiều ứng dụng thực tiễn mang lại hiệu quả cao như tự động giám sát, cảnh báo cháy rừng, tiền đánh giá thiệt hại do thiên tai gây ra, tìm và hỗ trợ cứu hộ những người đứng trước nguy cơ chết đuối, bị cô lập do những trận lũ quét, v.v. Để nhanh chóng đưa vào thực tiễn ứng dụng dạng máy bay mô hình này, nhu cầu cấp thiết đặt ra là tích hợp thiết bị định vị GPS giúp xây dựng chương trình bay tự hành định trước cho một khu vực mong muốn. Đề tài này được đề ra nhằm giúp giải quyết yêu cầu trên, hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng khả thi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Hơn nữa, đề tài cũng là nền tảng cho việc nghiên cứu các giải thuật điều khiển bay thông minh, các giải thuật thu thập, phân tích, xử lý không ảnh, mở ra hướng nghiên cứu mới cho chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển, Tự động hóa, và Cơ điện tử đồng thời đề xuất nhiều hướng nghiên cứu phục vụ cho chương trình đào tạo Cao học chuyên ngành Tự động hóa mà Trường Đại học Cần Thơ đang hướng tới. Đề tài được thực hiện sẽ mang lại những hiệu quả sau: - Hiệu quả kinh tế - xã hội: Việc ứng dụng máy bay không người lái để thu thập không ảnh ở những vị trí, khu vực xác định mang lại nhiều hiệu quả kinh tế - xã hội như giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giám sát cảnh báo cháy rừng, đánh giá hiện trạng lũ quét qua một khu vực, theo dõi tốc độ phát triển rừng, v.v. là phương thức đánh giá, giám sát nhanh, an toàn và chi phí vận hành, bảo dưỡng thấp. - Hiệu quả giáo dục và đào tạo: Mở ra nhiều hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng khoa học công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển tự động tại Trường Đại học Cần Thơ giúp nâng cao chất lượng đào tạo các ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử thông qua việc thiết kế các mô hình bay, xây dựng và áp dụng các giải thuật điều khiển tự động cho các loại máy bay không người lái; phát triển nhiều ứng dụng thực tiễn và phục vụ cho nhu cầu đào tạo cao học chuyên ngành Tự Động Hóa mà Trường Đại học Cần Thơ đang hướng tới. - Hiệu quả an ninh - quốc phòng: Ứng dụng trong lĩnh vực cứu nạn như tìm người thất lạc trong rừng, trong các trận bão, lũ quét, trong các môi trường độc hại, v.v. Thực hiện trinh thám trong công tác quốc phòng. 3 Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 Đại học Cần Thơ - Hiệu quả khoa học: Cung cấp giải pháp thu thập ảnh trên không, hỗ trợ cho các lĩnh vực nghiên cứu bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên trong một khu vực nhất định một cách tự động theo hành trình định trước. 3. MỤC TIÊU - Tích hợp hệ thống định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng 4 cánh quạt - Thu thập được ảnh tại vị trí mong muốn 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp tổng hợp tài liệu: - So sánh và chọn lựa loại máy thu tín hiệu GPS thông dụng phù hợp dựa trên đặc tính kỹ thuật của máy thu. Nghiên cứu phương thức giao tiếp giữa mạch điều khiển bay với thiết bị định vị GPS. Nghiên cứu các kỹ thuật định vị phổ biến và có độ chính xác cao. Phương pháp thực nghiệm: - Thực nghiệm đánh giá sai số của thiết bị định vị GPS. Nghiên cứu giải thuật bay tự động theo hành trình. 5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS, đặc biệt là hệ thống định vị toàn cầu GPS, và tích hợp máy thu GPS cho máy bay trực thăng mô hình 04 cánh quạt (quadrotor) dùng để thu thập không ảnh. Đề tài giới hạn ở việc tích hợp các máy thu GPS phổ thông, có giá thành thấp nên độ chính xác của hệ thống định vị được giới hạn trong khoảng 2 mét. Việc định vị và bay tự động được thực hiện thử nghiệm chủ yếu trong khuôn viên Khu II, Trường Đại học Cần Thơ. 6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Các nội dung nghiên cứu mà đề tài hướng đến gồm: - Chọn lựa loại thiết bị định vị GPS thông dụng có đặc tính kỹ thuật phù hợp. Tìm hiểu nghi thức giao tiếp với thiết bị định vị GPS để tích hợp vào máy bay 4 cánh quạt đã có từ kết quả nghiên cứu trước đó. Đánh giá sai số tĩnh và/hoặc động của thiết bị định vị GPS sau khi tích hợp. 4 Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 - Đại học Cần Thơ Tìm hiểu giải thuật bay tự động theo hành trình định trước sử dụng tọa độ thu được từ máy thu GPS. Thực nghiệm và viết báo cáo khoa học bao gồm báo cáo tổng kết đề tài và bài báo gửi tạp chí trong nước có mã số ISSN. Hướng dẫn 02 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học. 5 PHẦN KẾT QUẢ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 CHƯƠNG 1. Đại học Cần Thơ MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH BỐN CÁNH QUẠT THIẾT KẾ QUADROTOR Quadrotor là một dạng máy bay trực thăng mà khả năng cất cánh nhờ vào lực nâng của bốn động cơ được đặt đối xứng qua tâm của máy bay và được bố trí trên cùng một mặt phẳng. Vì vậy, khung quadrotor gồm hai thành phần cơ bản: Bốn cánh tay cho quadrotor với một động cơ được gắn ở mỗi đầu cánh tay và phần kết nối với đầu không gắn động cơ của bốn cánh tay. Để đảm bảo lực nâng đồng đều, dễ điều khiển và khai thác hiệu quả cả bốn động cơ, quadrotor cần được thiết kế sao cho trọng tâm của quadrotor nằm gần tâm. Vì vậy, các cánh tay của quadrotor thường được thiết kế giống nhau và được bố trí đối xứng qua tâm của quadrotor. Ngoài yêu cầu về tính đối xứng, khung quadrotor cần phải nhẹ để giảm thiểu tiêu hao năng lượng khi bay nhưng phải đủ cứng chắc để có thể tải được các thiết bị điều khiển. MỘT SỐ CẢI TIẾN 1.2.1 Cải tiến về phần cứng Mô hình quadrotor mới (Hình 1.2b) được nâng cấp từ mô hình cũ năm 2013 (Hình 1.2a) với yêu cầu là nâng cao độ ổn định khi bay, đảm bảo độ cứng vững, tính đối xứng, tăng thời gian bay, giảm hao phí năng lượng, v.v. để có thể thực hiện được các nhiệm vụ phức tạp, khó khăn như trong các ứng dụng thu thập không ảnh, xây dựng bản đồ, tìm kiếm cứu hộ, v.v. Dựa trên mô hình cũ một số cải tiến đã được thực hiện như: nâng cấp motor, ESC với hiệu suất lớn hơn, khả năng mang tải cao hơn; nâng cấp cánh quạt 11x5’’ thay vì 10x4.7’’, thay đổi vị trí gắn pin (gắn phía trên quadrotor) vì sử dụng pin 4s có dung lượng và kích thước lớn hơn so với pin cũ, đồng thời tạo sự thuận lợi trong quá trình tháo lắp; thiết kế lại chân đế bằng vật liệu nhôm nhẹ, thiết kế gọn giảm sức cản của gió khi bay, tạo khoảng không rộng phía dưới mô hình, có thể gắn 7