Bài viết đề xuất một mô hình mô phỏng UAV dựa trên kỹ thuật Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm thử chất lượng bộ điều khiển bay, đặc biệt giảm sai hỏng và chi phí ban đầu cho quá trình phát triển hệ thống. Từ đó, các giải thuật bay sẽ được áp dụng trong một số ứng dụng quân sự.
Trang 1
158 N T Minh, N Đ Khoa, V V Long, “Kỹ thuật mô phỏng … trong các ứng dụng quân sự.”
KỸ THUẬT MÔ PHỎNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ ÁP DỤNG
THUẬT TOÁN TRONG CÁC ỨNG DỤNG QUÂN SỰ
Nguyễn Tuấn Minh1*
, Nguyễn Đăng Khoa2, Vũ Văn Long2
Tóm tắt: Khác với những hệ thống robot trên mặt đất (UGV), quá trình xây dựng và
phát triển mô hình máy bay không người lái cần chi phí lớn, độ rủi do trong quá trình thử
nghiệm lớn Do đó, bài báo đề xuất một mô hình mô phỏng UAV dựa trên kỹ thuật
Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm thử chất lượng bộ điều khiển bay, đặc
biệt giảm sai hỏng và chi phí ban đầu cho quá trình phát triển hệ thống Từ đó, các giải
thuật bay sẽ được áp dụng trong một số ứng dụng quân sự
Từ khóa: PX4; UAV; Simulation; Software-in-the-Loop-simulation (SITL)
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Loại UAV quad-rotor đang được sử dụng rộng rãi bởi cấu trúc đơn giản, dễ dàng xây dựng,
điều khiển và có thể hoạt động linh hoạt trong khu vực nhỏ Tuy nhiên, việc xây dựng một hệ
thống UAV hoàn chỉnh không đơn giản và tồn tại rất nhiều rủi do như sai số về thiết kế các chi
tiết phần cứng, thuật toán hoạt động không ổn định, trong quá trình hoạt động có thể gây ra
những tai nạn ngoài ý muốn Những sản phẩm UAV thương mại đều được trải qua quá trình
kiểm nghiêm ngặt trước khi ra thị trường Trong khi đó, quá trình kiểm nghiệm đối với những
sản phẩm UAV tự thiết kế gần như không có Để giải quyết vấn đề này, bài báo đề xuất giải pháp
sử dụng kỹ thuật Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm định chất lượng về thiết kế
khung máy bay, bộ điều khiển và đặc biệt giảm thiểu sai hỏng cũng như chi phí ban đầu trong
phát triển hệ thống Trên thực tế SITL thường được cấu hình sử dụng với Matlab/Simulink [1]
hoặc PX4 [2, 3] để phát triển thuật toán điều khiển UAV PX4 có nhiều ưu điểm hơn so với
Simulink bởi đây là một mã nguồn mở với rất nhiều thư viện cho phép phát triển trên nhiều nền
tảng robot như UAV hoặc UGV Sự kết hợp giữa PX4 và SITL cho phép chúng ta có thể dễ dàng
hơn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu những sai sót trong qúa trình thiết kế UAV
2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUAD-ROTOR UAV VÀ MÔ PHỎNG
SỬ DỤNG KỸ THUẬT SITL
Bài báo này đề xuất một bộ điều khiển cho UAV dựa trên mã nguồn mở của PX4 [2, 3] như
trên hình 2 Ngoài ra, PX4 có thể được biên dịch và chạy trên phần cứng Pixhawk [4], là một
phần cứng rất phổ biến cho các ứng dụng UAV
Bộ điều khiển được thiết kế nhằm giúp UAV có thể bay đến một vị trí GPS cho sẵn
(waypoint) và mô phỏng trên bản đồ thực tế
Hình 1 Thiết kế bộ điều khiển tới waypoint cho UAV
3 MÔ PHỎNG UAV TRÊN KỸ THUẬT SOFTWARE IN THE LOOP SIMULATION
Để thực hiện một chuyến bay thực của UAV, quá trình mô phỏng cần được thực hiện để đảm
bảo tính chính xác của thuật toán điều khiển và các chức năng của UAV Việc mô phỏng dựa
trên kỹ thuật SITL được áp dụng nhằm kiểm thử bộ điều khiển như minh họa trong hình 2
Trang 2Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 159
Hình 2 Sơ đồ thiết kế SITL cho kiểm thử một UAV
Trong đó: QGroundControl (QGC) là một phần mềm được sử dụng để giám sát, lập kế hoạch
và thực thi nhiệm vụ bay cho bộ mã nguồn PX4
Drone-kit là một mã nguồn mở, được xây dựng trên nền tảng Python, mã nguồn cho phép mô phỏng một mô hình UAV cũng như cung cấp các dữ liệu cảm biến cần thiết như GPS và IMU Đồng thời, Drone-kit cho phép nhận tín hiệu điều khiển tới các UAV mô hình được xây dựng trong mã nguồn mở
Để thực hiện SITL, các khối được kết nối với nhau thông qua kết nối mạng Ở đây, bài báo sử dụng giao thức UDP với định nghĩa các cổng kết nối khác nhau
4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ÁP DỤNG THỰC TẾ
Bài báo sử dụng QGC để thiết lập các waypoint cho thuật toán điều khiển Như trên hình 3, bốn waypoints được thiết lập Sau khi tải waypoint và khởi động UAV, như kết quả ở hình 4, UAV có thể lần lượt đi đến các waypoint đã được định sẵn và hoàn thành nhiệm vụ ở waypoint cuối cùng Điều đó chứng tỏ, các bộ điều khiển được thiết kế có có hiệu năng cao, đáp ứng được nhu cầu bay cho một UAV Không những thế, bộ mô phỏng dựa trên kỹ thuật SITL còn có thể là môi trường kiểm thử thuật toán bay cho một UAV
Hình 3 Waypoint thiết lập cho UAV
Hình 4 UAV đi tới các waypoint thiết lập
Trang 3
160 N T Minh, N Đ Khoa, V V Long, “Kỹ thuật mô phỏng … trong các ứng dụng quân sự.”
Sau khi đã kiểm thử thuật toán điều khiển trong các điều kiện khác nhau và đáp ứng yêu cầu
về tính ổn định, độ chính xác Nhóm tác giả tiến hành áp dụng UAV trong một số ứng dụng quân
sự Cụ thể, một camera có khoảng cách nhìn 500m được tích hợp lên trên máy bay, đồng thời hệ
thống treo và thả bom cũng được cài đặt trên cơ cấu khung của máy bay
(a) Cất cánh và dò tìm mục tiêu
(b) Dò tìm và bay tới mục tiêu (c) Thả bom
Hình 5 Máy bay không người lái truy tìm mục tiêu, bay tới và thả bom
Khi máy bay cất cánh, lập tức sẽ tìm vị trí của mục tiêu thông qua hệ camera, từ đó tính toán
được tọa độ GPS và truyền lệnh để UAV bay tới mục tiêu và thả bom ở vị trí mục tiêu Kết quả
nhận dạng và thả bom được thể hiện trên hình 5
5 KẾT LUẬN
Bài báo này đã đề xuất sử dụng mô hình mô phỏng cho UAV quad-rotor dựa trên kỹ thuật
SITL Trong đó, nhóm tác giả thực hiện sửa đổi bộ điều khiển dựa trên mã nguồn mở PX4 nhằm
di chuyển UAV tới các waypoint định sẵn trên bản đồ sử dụng phần mềm trạm mặt đất QGC,
Drone-kit, GPS và IMU Kết quả thu được cho thấy, mô hình SITL hoàn toàn có thể được sử
dụng để kiểm thử các bộ điều khiển bay Do đó, SITL không chỉ được sử dụng để mô phỏng cho
UAV mà còn có thể mô phỏng cho nhiều loại robot khác nhau nhằm đảm bảo tính chính xác,
kiểm thử và tiết kiệm chi phí sai hỏng trong quá trình phát triển sản phẩm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Moon, Sangwoo (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Air Force Academy)
“Implementation of a X-Plane and MATLAB/Simulink based Simulation System for Multiple UAVs”
Received : 2013.02.20 Accepted : 2013.03.15 Published : 2013.05.01
[2] Jesús García & Jose M Molina, “Simulation in real conditions of navigation and obstacle avoidance
with PX4/Gazebo platform”, Personal and Ubiquitous Computing (2020)
[3] Lorenz Meier, Dominik Honegger, and Marc Pollefeys “PX4: A node-based multithreaded open
Trang 4Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 161
source robotics framework for deeply embedded platforms” In: 2015 IEEE international conference
on robotics and automation (ICRA) IEEE 2015, pp 6235–6240
[4] Khoa Dang Nguyen, Nguyen Trong Thang, and Cheolkeun Ha, “Graph-SLAM Based
Hardware-in-the-Loop Simulation for Unmanned Aerial Vehicles Using Gazebo and PX4 Open Source”,
International Conference on Intelligent Computing, 2019
ABSTRACT
SIMULATION TECHNIQUE FOR DRONES WITH APPLIED ALGORITHM
FOR MILITARY USE
Unlike unmanned ground vehicles (UGV), building and developing unmanned aircraft models is costly and risky, especially during testing Therefore, this article proposes a UAV simulation model based on the Software-in-the-Loop (SITL) method for testing the quality of flight controllers, especially to reduce defects and initial costs for the system development process As a result, the flight algorithms inherited from simulation shall be applied in a number of military applications
Keywords: PX4; UAV; Simulation; Software-in-the-Loop-simulation (SITL)
Nhận bài ngày 23 tháng 12 năm 2020 Hoàn thiện ngày 17 tháng 01 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021
Địa chỉ: 1 Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;
2 Đại học Phenikaa
*Email: ntminh.telecom@gmail.com.