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

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 q

Trang 1

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

Trang 2

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 Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

Cần Thơ, 12/2014

Trang 3

ii

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 Tên đơn vị Họ và tên người đại diện đơn vị

1 Bộ môn Tự động hóa, Khoa

Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

TS Võ Minh Trí, Trưởng Bộ môn

Trang 4

iii

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

Trang 5

iv

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

Trang 6

v

Hình 1.1 (a) Mô hình CAD của quadrotor (b) Mô hình thực tế 8

Hình 1.2 Mô hình quadrotor năm 2013 (a) và mô hình cải tiến năm 2014 (b) 8

Hình 1.3 Bộ điều khiển cân bằng quadrotor 11

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống GPS 13

Hình 2.2 Phần không gian của GPS 14

Hình 2.3 Các thành phần của trạm điều khiển 15

Hình 2.4 Vị trí lắp đặt các trạm của thành phần điều khiển 16

Hình 2.5 Các bước để xác định vị trí bằng GPS 17

Hình 2.6 Phép đo 3 cạnh tam giác (trilateration) từ vệ tinh 18

Hình 2.7 Các nguồn lỗi trong định vị 20

Hình 2.8 Lỗi do sai lệch quỹ đạo vệ tinh 21

Hình 2.9 Sai số do hiện tượng đa tuyến gây ra 22

Hình 2.10 Cấu hình và độ chính xác của một số kỹ thuật đo 24

Hình 2.11 Hệ thống DGPS 24

Hình 3.1 Giao diện cấu hình chế độ PPP Static cho RTKNAVI 30

Hình 3.2 Bố trí thí nghiệm tĩnh với (a) chế độ định vị thông thường và (b) chế độ định vị PPP Static 31

Hình 3.3 Bố trí thí nghiệm động 31

Hình 3.4 Độ lệch vị trí (lần lượt từ trên xuống theo phương Đông-Tây, phương Bắc-Nam, phương thẳng đứng) theo thời gian khi thu thập trực tiếp từ máy thu GPS 32

Hình 3.5 (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

Hình 3.6 Trạm động và địa điểm thí nghiệm 34

Hình 3.7 (a) Vị trí và (b) độ lệch vị trí của trạm động ở trạng thái tĩnh theo thời gian trong thí nghiệm động 36

Hình 3.8 Vị trí trạm động sau (a) 1 lần và (b) 3 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 36

Hình 3.9 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

Hình 3.10 Vị trí trạm động sau 9 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 37

Hình 3.11 Thí nghiệm bay kiểm tra độ chính xác GPS 39

Hình 3.12 Vị trí thí nghiệm 40

Hình 3.13 Các thông số bộ điều khiển quadrotor 41

Hình 3.14 Kết quả đáp ứng bộ điều khiển độ cao 42

Hình 3.15 (a) Thông số HDOP và (b) số lượng vệ tinh trong thí nghiệm bay 42

Trang 7

vi

Bảng 1.1 So sánh thiết bị mô hình quadrotor mới và mô hình cũ 9

Bảng 2.1 Nguồn sai số và sai số tương ứng đối với GPS thông dụng 22

Bảng 2.2 So sánh sai số khi sử dụng kỹ thuật DGPS 23

Bảng 3.1 Thông tin về các thí nghiệm 29

Bảng 3.2 Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tọa độ trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh 34

Bảng 3.3 Độ lệch của vị trí trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh 34

Bảng 3.4 Độ lệch vị trí trạm động đo ở trạng thái tĩnh trong thí nghiệm động 34

Bảng 3.5: Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS 38

Trang 8

vii

Thuật ngữ viết tắt Diễn giải

GNSS Global Navigation Satellite System

Trang 9

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

Trang 10

ix

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Đơn vị: Khoa Công Nghệ

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

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

Trang 11

x

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,

21-22/11/2014, 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,

28-29/11/2014 (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

- 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

Trang 12

Coordinator: Dr Nguyen Chanh Nghiem

Implementing institution: College of Engineering Technology, Can Tho University Duration: from April 1 st , 2014 to December 31 st , 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

Trang 13

xii

- 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: 978-604-913-306-0)

- 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

Trang 14

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

Trang 15

Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 Đại học Cần Thơ

2

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

Trang 16

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

Trang 17

4

- 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

Trang 18

Trang 19

PHẦN KẾT QUẢ

Trang 20

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

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

Trang 21

8

camera và các thiết bị khác khi cần thiết Các thiết bị trong mô hình quadrotor cũ

và mới được liệt kê ở Bảng 1.1

Trang 22

9

Bảng 1.1 So sánh thiết bị mô hình quadrotor mới và mô hình cũ

- Sức nâng tối đa

Động cơ HiModel A2212/13T

[12]

1000 RPM/V 0.5 A (at 10V)

3 A

28 g

43x23x6 mm

Trang 23

11.1Volt (3cells) 35C

225g Dung lượng pin 2800mAh cho phép cấp nguồn cho 4 động cơ hoạt động liên tục với dòng 10A (theo lý thuyết) trong thời gian (2800mAh x 2) / 40A = 0.14 h hay 8.6 phút

Pin LiPo Wild Scorpion 3500mAh 45C

136mm x 42.5mm x 22.25mm 3500mAh

14.8Volt (4cells) 45C

283g

Dung lượng pin 3500mAh cho phép cấp nguồn cho 4 động cơ hoạt động liên tục với dòng 10A (theo lý thuyết) trong thời gian (3500mAh x 2) / 40A = 0.175 h

Bộ điều khiển từ xa DEVO 10 [19]

10 2.4 GHz 20db

Trang 24

11

1.2.2 Hiệu chỉnh PID

Để điều khiển quadrotor bay theo quỹ đạo, vấn đề đầu tiên cần được quan tâm

là cân bằng quadrotor Để cân bằng quadrotor cần xem xét hai bộ điều khiển góc

và vận tốc góc như trong Hình 1.3 Chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc vào các

thông số PID Do đó, để đạt được độ ổn định của bộ điều khiển cân bằng nhất thiết phải hiệu chỉnh các thông số này

Trước hết ta xem xét bộ điều khiển góc (Stabilise PID), bộ điều khiển này chuyển đổi góc đặt nhận bộ phát tín hiệu radio sang vận tốc góc Các thông số của

bộ điều khiển này gồm: Stab Roll kP, Stab Pitch kP Nếu chọn thông số này cao quadrotor sẽ nhanh đạt được góc đặt ngược lại nếu thông số quá thấp sẽ chậm đạt được góc đặt Đối với bộ điều khiển vận tốc góc (Rate PID) Bộ điều khiển chuyển đổi giá trị vận tốc góc đặt sang tốc độ động cơ Bộ điều khiển bao gồm các thông số: Rate Roll kP, Rate Roll kD, Rate Roll kI, Rate Pitch kP, Rate Pitch kD, Rate Pitch kI Trong đó thông số Rate Roll kP và Rate Pitch kP được quan tâm nhiều nhất Nếu hệ số này quá cao quadrotor sẽ dao động, nếu quá thấp quadrotor sẽ chao đảo nên cần chọn hệ số phù hợp với mô hình quadrotor Hệ số Rate Roll kI và Rate Pitch kI được dùng để bù tín hiệu điều khiển khi có ngoại lực tác động lên quadrotor Nếu hệ số này chọn giá trị cao quadrotor sẽ nhanh trở lại giá trị đặt và giảm vọt lố Hệ số Rate Roll kD và Rate Pitch kD làm giảm đáp ứng quadrotor đến giá trị đặt

Hình 1.3 Bộ điều khiển cân bằng quadrotor [20]

Trang 25

12

Để máy bay có thể cân bằng tốt hơn, các thông số PID được chọn bằng cách sử dụng chức năng “autotune” của bo mạch APM 2.5 Chức năng “autotune” cho phép dò các thông số với đáp ứng tốt nhất của quadrotor (không overshoot), bằng cách quan sát đáp ứng của các góc Roll, Pitch ứng với các thông số từ thấp đến cao

Trang 26

13

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS – Global Positioning System) gồm có 24 vệ tinh hoạt động và một số vệ tinh dự trữ, một số trạm mặt đất, và hàng ngàn người

sử dụng GPS Các thành phần của hệ thống (không gian, điều khiển và người dùng) phối hợp với nhau để cung cấp vị trí chính xác mọi lúc, mọi nơi trên thế giới Tùy thuộc vào nhu cầu về độ chính xác trong định vị của người dùng mà người dùng

có thể lựa chọn các kỹ thuật định vị khác nhau Với một GPS giá rẻ thông thường,

nó có thể cung cấp độ chính xác định vị khoảng 15 m Bên cạnh đó, người sử dụng cũng có thể sử dụng một số kỹ thuật định vị để nâng cao độ chính xác tới mức độ centimet

CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG GPS

Hệ thống định vị toàn cầu có thể chia thành ba thành phần như mô tả ở Hình 2.1

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống GPS [21]

Trang 27

14

2.2.1 Thành phần không gian (space segment):

Thành phần không gian gồm có 24 vệ tinh hoạt động và 8 vệ tinh dự trữ để đảm bảo luôn luôn có đủ 24 vệ tinh hoạt động Các vệ tinh này bay theo quỹ đạo cách

mặt đất khoảng 20.200 km, được thể hiện ở Hình 2.2 Các vệ tinh này được sắp

xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo Mỗi mặt phẳng đặt nghiêng 55o so với đường xích đạo và mỗi vệ tinh bay quanh quỹ đạo 2 lần một ngày để đảm bảo tại mọi nơi trên trái đất đều có thể bắt được tín hệu của ít nhất 4 vệ tinh Điều này rất quan trọng

vì các máy thu GPS cần tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để xác định vị trí của nó trong không gian ba chiều

Hình 2.2 Phần không gian của GPS [22]

Mỗi vệ tinh truyền liên tục các tín hiệu vô tuyến công suất thấp xuống mặt đất Các thông tin có trong tín hiệu gồm: hai tần số sóng mang L1 (1575.42 MHz) và L2 (1227.60 MHz), hai mã (ranging codes), và một thông tin định vị (navigation message) Các mã và thông tin định vị được điều chế và được sóng mang truyền

Trang 28

15

đi Các sóng mang và các mã được dùng chủ yếu cho việc xác định khoảng cách

từ máy thu tới vệ tinh GPS Tin nhắn định vị chứa các thông tin khác như tọa độ (vị trí) của vệ tinh Các tín hiệu truyền đi được điều khiển bởi các đồng hồ nguyên

tử có độ chính xác rất cao đặt trên vệ tinh

2.2.2 Thành phần điều khiển (control segment)

Thành phần điều khiển bao gồm các trạm: trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station), trạm giám sát (Monitor Station) và trạm ăng-ten mặt đất Mối

quan hệ giữa các trạm và vị trí đặt của các trạm được thể hiện ở Hình 2.3 và Hình 2.4 tương ứng

Hình 2.3 Các thành phần của trạm điều khiển [23]

Trạm giám sát theo dõi các tín hiệu định vị từ tất cả các vệ tinh và liên tục gửi

dữ liệu về trạm điều khiển trung tâm để xử lý Trạm điều khiển trung tâm tính toán

vị trí quỹ đạo bay cho mỗi vệ tinh trên không gian và các hiệu chỉnh đồng hồ của

vệ tinh Sau đó trạm điều khiển trung tâm gửi các dữ liệu cập nhật về quỹ đạo bay

và đồng hồ của vệ tinh tới trạm ăng-ten mặt đất Tại đây, dữ liệu này được gửi đến mỗi vệ tinh ba lần một ngày để duy trì độ chính xác của hệ thống Các trạm ăng-

Trang 29

16

ten mặt đất cũng truyền các lệnh đến các vệ tinh để bảo trì định kỳ, cập nhật phần mềm và điều chỉnh quỹ đạo Mỗi vệ tinh luôn nhìn thấy ít nhất hai trạm mặt đất và thông thường là ba Vị trí lắp đặt các trạm của phần điều khiển được thể hiện ở

Hình 2.4

Hình 2.4 Vị trí lắp đặt các trạm của thành phần điều khiển

2.2.3 Thành phần người dùng (user segment)

Thành phần người dùng được hiểu là tất cả ai đang sử dụng hệ thống GPS để xác định vị trí Và phần này có thể chia thành hai nhóm đó là các ứng dụng trong quân sự và dân sự Với một máy thu GPS được kết nối tới một ăng-ten GPS, người dùng có thể nhận tín hiệu GPS để xác định vị trí của mình bất kỳ nơi đâu trên thế giới Hiện nay, mọi người đều có thể sử dụng GPS để xác định vị trí mà không phải tốn phí

Trang 30

17

XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ ĐỊNH VỊ TỪ GPS

Để tính toán vị trí chính xác của người dùng, máy thu GPS cần xác định khoảng cách tới một vài vệ tinh bằng cách: tính toán chính xác mỗi vệ tinh đang ở đâu trên không gian, đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu và tính thời gian trễ của tín hiệu khi truyền qua lớp khí quyển Các bước xác định vị trí bằng GPS được

Trang 31

18

Hình 2.6 Phép đo 3 cạnh tam giác (trilateration) từ vệ tinh

 Vị trí từ một vệ tinh: Giả sử chúng ta đo khoảng cách của chúng ta tới một

vệ tinh và nó là 20.200 km Đều này cho chúng ta biết rằng chúng ta đang

ở đâu đó trên bề mặt của hình cầu với bán kính là 20.200 km, tâm là vệ tinh

này, Hình 2.6a

 Vị trí từ hai vệ tinh: Tiếp theo, chúng ta đo khoảng cách của chúng ta tới

vệ tinh thứ 2 và xác định là 23.000 km Tương tự, chúng ta cũng đang ở trên

bề mặt của hình cầu có bán kính là 23.000 km và tâm là vệ tinh thứ 2 Do

chúng ta nhận được đồng thời thông tin khoảng cách tới 2 vệ tinh nên vị trí

có thể của chúng ta là một nơi nào đó trên đường tròn là phần giao nhau

giữa hình cầu thứ nhất và hình cầu thứ 2 (Hình 2.6b)

 Vị trí từ ba vệ tinh: Nếu chúng ta đo thêm thông tin tới vệ tinh thứ 3 và

biết được khoảng cách là 25.800 km Lúc này vị trí của chúng ta chỉ có thể

là 1 trong 2 điểm là nơi cắt nhau giữa hình cầu có bán kính là 25.800 km và

đường tròn giao nhau của hai hình cầu trước (Hình 2.6c) Thông thường 1

trong hai điểm này có một điểm nằm rất xa trái đất hoặc di chuyển với một

vận tốc không thể có nên có thể được loại trừ Tuy nhiên, để có một đáp án

chính xác, chúng ta cần phép đo tới một vệ tinh thứ 4 để có thêm thông tin

chính xác về thời gian của vệ tinh và đồng bộ đồng hồ của máy thu

Mỗi vệ tinh truyền hai mã PRN (Pseudo-Random Number) dùng để nhận dạng

vệ tinh và để xác định thời gian truyền tín hiệu Hai mã PRN đó là mã C/A (Coarse

Acquisition) trên sóng mang L1 và mã P (Precise) trên sóng mang L1 và L2 Các

Trang 32

19

vệ tinh cũng truyền liên tục một thông tin định vị được thêm vào cả mã C/A và mã

P Thông tin định vị cho phép máy thu xác định vị trí vệ tinh, sức khỏe, thời gian

và những thông tin khác như:

 Niên giám (almanac): chứa thông tin xấp xỉ quỹ đạo bay của tất cả các vệ tinh Máy thu sử dụng dữ liệu này để xác định vệ tinh nào cần được theo dõi (vệ tinh nào trong tầm quan sát và lựa chọn các bố trí hình học của vệ tinh tốt nhất để có được độ chính xác vị trí tốt hơn) Niên giám này được lưu trữ trong bộ nhớ của máy thu để cho phép máy thu thu thập tín hiệu vệ tinh nhanh chóng

 Lịch thiên văn (ephemeris): được máy thu sử dụng để tính toán vị trí của vệ tinh tại một thời điểm bất kỳ

 Các thông số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

Quá trình truyền hoàn chỉnh một thông tin định vị mất 12.5 phút và được lặp lại

CÁC NGUỒN SAI SỐ

Hệ thống định vị phức tạp và hoạt động trong điều kiện có nhiều thay đổi nên

việc định vị luôn tiềm ẩn những sai số, được thể hiện ở Hình 2.7 Một số sai số có

thể được dự đoán và loại bỏ nhưng cũng có một số sai số thì không thể loại bỏ được Các sai số trong việc xác định khoảng cách có thể chia thành hai nhóm:

 Sai số do khoảng cách (range errors): được gây ra chủ yếu do thành phần không gian và thành phần điều khiển mặt đất của hệ thống như sai số lịch thiên văn và đồng hồ vệ tinh, sai số do tầng khí quyển gây trễ tín hiệu khi truyền qua tần điện ly (ionosphere) và tầng đối lưu (troposphere)

 Sai số do thiết bị (equipment errors): chủ yếu do thiết bị và các điều kiện tại nơi định vị Nó bao gồm hướng ăng-ten, nhiễu máy thu, đa tuyến (multipath), nhiễu điện từ Những lỗi này hệ thống không thể dự đoán và loại bỏ được

Trang 33

20

Hình 2.7 Các nguồn lỗi trong định vị [24]

Sai số lịch thiên văn: Mặc dù máy thu có cập nhật dữ liệu lịch thiên văn từ

trạm điều khiển nhưng vẫn có thể xuất hiện sai số nếu dữ liệu bị cũ

Sai số đồng hồ vệ tinh: Các đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh rất tốt nhưng

nó vẫn không thể hoàn hảo và có sự sai lệch một ít Sai lệch này có thể được giám sát và hiệu chỉnh bởi trạm mặt đất

Trang 34

21

Hình 2.8 Lỗi do sai lệch quỹ đạo vệ tinh

Trễ do tần ion: Tầng ion là lớp trên của khí quyển, ở độ cao khoảng từ 50 đến

500 km Nó chứa một lượng lớn ion và tín hiệu GPS có thể bị trễ khi đi qua Sự làm trễ này thay đổi theo vị trí và thời gian Vùng ảnh hưởng lớn nhất là vùng xích đạo và vùng cực

Trễ do tầng đối lưu: Tầng đối lưu có rất nhiều hơi nước và có sự thay đổi nhiệt

độ, áp suất ở tầng này Và điều này cũng ảnh hưởng đến thời gian truyền tín hiệu GPS mặc dù nó không ảnh hưởng nhiều

Sai số máy thu: Các máy thu GPS có thể có lỗi trong việc bắt tín hiệu vệ tinh

Các máy thu và ăng-ten tốt hơn thường có sai số ít hơn

Sai số đa tuyến: Sai số này xuất hiện khi ăng-ten máy thu đặt trong môi trường

có thể phản xạ tín hiệu GPS như tòa nhà, tán cây, v.v (Hình 2.9)

Trang 35

22

Hình 2.9 Sai số do hiện tượng đa tuyến gây ra

Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số trong định vị và sai số tương ứng đối với các

máy thu thông dụng được liệt kê ở Bảng 2.1

Bảng 2.1 Nguồn sai số và sai số tương ứng đối với GPS thông dụng

Dữ liệu lịch thiên văn (Ephemeris Data) 0.4 – 0.5

Đồng hồ vệ tinh (Satellite Clocks) 1.0 – 1.2

Tầng đối lưu (Troposphere) 0.2 – 0.7

MỘT SỐ KỸ THUẬT CẢI THIỆN SAI SỐ

Sai số khi sử dụng các máy thu GPS thông dụng lơn nên các máy thu thông dụng chỉ có thể ứng dụng cho mục đích dẫn đường hay một số ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác cao Với các ứng dụng trong nông nghiệp chính xác, giám sát môi trường hay các ứng dụng điều khiển tự hành cho thiết bị bay thì cần một hệ thống định vị có độ chính xác cao hơn Một số kỹ thuật nâng cao độ chính xác của GPS đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng Hai kỹ thuật được nhiều người sử dụng quan tâm đó là GPS vi sai (DGPS) và GPS động thời gian thực (RTK-GPS)

Trang 36

23

2.5.1 GPS vi sai (DGPS)

Thuật ngữ GPS vi sai (Differential GPS hay DGPS) ám chỉ việc so sánh hai tín hiệu GPS khác nhau để xác định vị trí một cách chính xác hơn Máy thu DGPS nhận tín hiệu từ vệ tinh và tính ra giả cự ly (pseudo-range) của nó Bên cạnh đó, máy thu cũng nhận tín hiệu hiệu chỉnh từ một nguồn tham chiếu (reference source)

hoặc một trạm cố định (base station) đã biết trước tọa độ chính xác (Hình 2.10)

Máy thu áp dụng các thông tin hiệu chỉnh này cho giả cự ly để tính ra vị trí chính xác hơn DGPS được gọi là “real-time” nếu tín hiệu hiệu chỉnh được gửi ngay tức khắc và liên tục đến máy thu Ngoài ra còn có hình thức DGPS hậu xử lý (post-processed DGPS) Hình thức này sử dụng một máy tính riêng biệt và phần mềm chuyên dụng để tính toán vị trí Dữ liệu thô (raw data) từ máy thu được gửi tới máy tính cùng với dữ liệu thô từ nguồn tham chiếu Máy tính sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng để tính toán ra vị trí chính xác từ 2 dữ liệu thô này

Hệ thống DGPS gồm có trạm cố định và trạm di chuyển, được mô tả như Hình 2.11 Trạm cố định (base station) là một máy thu GPS được đặt tại một vị trí cố

định đã biết trước tọa độ chính xác Khi hoạt động, máy thu GPS ở trạm cố định nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh và tính toán vị trí của mình Trạm cố định sẽ so sánh

vị trí đã biết trước và vị trí tính toán được để có được tín hiệu hiệu chỉnh Tín hiệu hiệu chỉnh này được gửi đến trạm di chuyển hay trạm động để cải thiện sai số Với phương pháp này, sai số trong định vị đã giảm đi đáng kể - một số nguyên nhân

sai số được loại bỏ và giảm đi, từ hơn 10 mét xuống còn khoảng 1 mét (Bảng 2.2) Bảng 2.2 So sánh sai số khi sử dụng kỹ thuật DGPS

GPS thông dụng DGPS

Dữ liệu lịch thiên văn (Ephemeris Data) 0.4 – 0.5 Loại bỏ

Đồng hồ vệ tinh (Satellite Clocks) 1.0 – 1.2 Loại bỏ

Tầng đối lưu (Troposphere) 0.2 – 0.7 Loại bỏ

Trang 37

24

Hình 2.10 Cấu hình và độ chính xác của một số kỹ thuật đo

Hình 2.11 Hệ thống DGPS [22]

2.5.2 GPS động thời gian thực (RTK-GPS)

RTK-GPS là kỹ thuật đo có sai số ở cấp độ centimet Các thiết bị sử dụng trong

hệ RTK-GPS rất đắc tiền và thường phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao

Trang 38

25

RTK-GPS xác định vị trí của anten bằng cách đo pha sóng mang chứ không sử dụng mã PRN Do tín hiệu sóng mang có bước sóng ngắn hơn so với mã PRN nên sai số trong phép đo pha nhỏ hơn Tuy nhiên, sử dụng sóng mang để tính khoảng cách có nhược điểm đó là cần phải giải đa trị trong trị đo phase (Carrier-Phase Ambiguity) nên cần phần cứng có tốc độ xử lý nhanh để có thể đáp ứng yêu cầu thời gian thực (real-time) trong phép đo động (kinematic)

Trang 39

26

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY THU GPS GIÁ RẺ

TRONG KỸ THUẬT ĐO ĐỘNG RTK

Hệ thống định vị toàn cầu đóng một vai trò rất quan trọng trong các ứng dụng khảo sát và dẫn hướng Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của GPS như số lượng vệ tinh vào thời điểm quan sát, điều kiện tầng điện ly, chất lượng máy thu GPS, v.v Để tăng độ chính xác trong định vị, nhiều kỹ thuật được

đề xuất như GPS vi sai (Differential GPS), PPP (Precise Point Positoning), hậu xử

lý (Postprocessing), RTK-GPS (Real-time Kinematic GPS) Trong các kỹ thuật này, RTK-GPS là một trong những kỹ thuật tốt nhất và có thể giúp hệ thống định

vị đạt độ chính xác đến cấp độ centimet [25] Tuy nhiên, việc ứng dụng kỹ thuật RTK-GPS gặp nhiều khó khăn do chi phí đầu tư hệ RTK-GPS quá cao (từ 15.000 USD đến 60.000 USD) [26]

Gần đây, có nhiều nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của RTK-GPS với các máy thu GPS giá rẻ chỉ sử dụng tần số L1 của hệ thống định vị toàn cầu [25], [27]-[28] Các máy thu GPS giá rẻ này cần phải có khả năng cung cấp dữ liệu thô như giả cự ly (pseudorange), pha sóng mang, lịch sao (satellite ephemeris), để tính toán tọa độ chính xác vị trí của anten thu Nghiên cứu khảo sát độ chính xác của

hệ RTK-GPS cho ứng dụng nông nghiệp khi tự thiết lập trạm cơ sở của Jensen và đồng sự [26] cho thấy có hơn 95% các sai số nằm trong khoảng 0.2m Trong một thí nghiệm khác của Layton và đồng sự [29], độ chính xác được nâng lên đến centimet khi tín hiệu hiệu chỉnh từ trạm cơ sở quốc gia được sử dụng thay cho việc

tự thiết lập trạm cơ sở

Trong điều kiện hạ tầng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS chưa hoàn chỉnh như ở Đồng bằng Sông Cửu Long, việc triển khai nông nghiệp chính xác còn gặp nhiều khó khăn vì hệ thống định vị chính xác có chi phí đầu tư cao Bên cạnh các máy móc nông nghiệp, các máy bay mô hình không người lái ứng dụng trong nông nghiệp chính xác cũng đang được quan tâm Tuy nhiên máy thu và ăng ten lắp trên các máy bay này cần phải nhỏ gọn và nhẹ Đa số các máy thu và ăng ten giá rẻ đều có thể đáp ứng được yêu cầu này nhưng độ chính xác không cao Để

có thể sớm sử dụng quadrotor và phát triển các ứng dụng và nông nghiệp chính

Trang 40

Trong nghiên cứu này, ứng dụng chương trình Real-Time Positioning (RTKNAVI) và Communication Server (STRSVR) của thư viện RTKLIB để thực hiện công việc định vị và truyền dữ liệu một cách tương ứng Các đồ thị thể hiện

vị trí và sai số định vị được vẽ bằng chương trình RTKPLOT Có hai chế độ định

vị được sử dụng Chế độ PPP Static (định vị chính xác điểm tĩnh) dùng để xác định

vị trí của đối tượng đứng yên từ một máy thu GPS có hỗ trợ ngõ ra thô (raw data) Chế độ Kinematic (RTK-GPS) được dùng để xác định vị trí chính xác của đối tượng di chuyển hay trạm động (rover station) bằng cách sử dụng thêm dữ liệu GPS thô của trạm cơ sở (base station) truyền đến trạm động trong suốt quá trình hoạt động Trạm cơ sở có vị trí cố định và tọa độ chính xác biết trước

3.1.1.2 Phần cứng

Trong nghiên cứu này, máy thu GPS và ăng ten của hãng u-blox được dùng vì

có những điểm nổi bật về tính năng và giá Hai loại máy thu GPS NEO-6P và NEO-6T của hãng u-blox được sử dụng Cả hai loại máy thu này đều là máy thu một tần số L1 (1575.42 MHz), hỗ trợ hệ thống SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems) (gồm các hệ WAAS, EGNOS, MSAS), và đều có khả năng cung cấp dữ liệu thô

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	10,63 MB