- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Thiết kế và thi công mô hình máy bay không người lái tự động đáp cánh trên mục tiêu xác định
Xem mẫu
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
TỰ ĐỘNG ĐÁP CÁNH TRÊN MỤC TIÊU XÁC ĐỊNH
Trần Lê Anh*, Lê Tuấn Thông
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc: tranleanh.nt@gmail.com
TÓM TẮT
Trong suốt một quá trình bay tự hành, hạ cánh tự động trên một đối tượng được
chỉ định là một trong những quy trình nguy hiểm và đầy thử thách nhất, đòi hỏi
một nghiên cứu nâng cao về phương pháp trong cả phần cứng và phần mềm.
Trong bài báo này, một phương pháp mới được phát triển, bao gồm hai nhiệm vụ
chính, cho các hệ thống hạ cánh tự động dựa trên kỹ thuật thị giác máy và được
thực hiện bởi một quadcopter: (1) Một thuật tóa n dựa trên thị giác máy để phát
hiện và dự đóa n chuyển động tương lai của đối tượng sử dụng bộ lọc Kalman;
(2) Thuật tóa n điều khiển PID để quadcopter tự cân bằng và hạ cánh trên một
mục tiêu xác định. Nhiệm vụ này được thực hiện nhờ vào hai thành phần thiết
yếu: cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Tuy nhiên, các cảm biến này dễ bị
nhiễu do các lực truyền động trong hệ thống, chẳng hạn như độ rung của động
cơ. Do đó, chúng tôi cũng nghiên cứu và sử dụng bộ lọc bù để lấy kết quả tốt nhất
có thể từ hai cảm biến. Các thí nghiệm thực tế trên mô hình quadcopter được
thực hiện để xác nhận tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất và cho kết
quả 80% số lần đáp cánh trúng đích.
Từ khóa: Hạ cánh tự động, quadcopter, điều khiển PID.
DESIGN AND IMPLEMENT A QUADCOPTER MODEL
AUTONOMOUS LANDING ON A STATIONARY TARGET
Tran Le Anh*, Le Tuan Thong
Ho Chi Minh City University of Technology and Education
*Corresponding Author: tranleanh.nt@gmail.com
ABSTRACT
During autonomous flight procedure, autonomous landing on a specified object
is one of the most dangerous and challenging processes, requiring an advanced
study in both hardware and software approaches. In this paper, a new
methodology is developed, including two major tasks, for vision-based
autonomous landing systems executed by a quadcopter: (1) a vision-based
algorithm is used to detect and predict an object’s future motion using Kalman
Filter; (2) PID algorithm is implemented in a quadcopter platform to
autonomously balance and land this one on a stationary target. This autonomous
task is obtained by two essential components: Accelerometer and gyroscope.
However, the sensors are susceptible to noise caused by driving forces in the
system, such as the vibration of the motors. Therefore, we also investigate a use
of complementary filter to make the outcome from two sensors as best as possible.
Real quadcopter experiments have been implemented in door to validate the
effectiveness of the proposed method and demonstrated that there were 8 out of
10 times of correctly landing.
Keywords: Autonomous landing, quadcopter, PID controller.
509
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
TỔNG QUAN họa khác. Bài báo này trình bày một
Một thiết bị bay không người lái giải pháp hạ cánh tự động dựa trên thị
(UAV), thường được gọi là Drone, là giác máy cho phép một quadcopter tự
một chiếc máy bay không có phi công động hạ cánh trên một mục tiêu cố
trực tiếp ngồi lái trên máy bay. Có rất định.
nhiều mức độ khác nhau của các Quá trình này được chia thành 3 phần:
chuyến bay tự lái: hoặc dưới sự kiểm 1 - phát hiện vị trí, 2 - dự đóa n vị trí và
sóa t bởi con người hoặc được kiểm sóa 3 - hạ cánh tự động. Trong phần đầu
t bởi các máy tính trên máy bay. Do sự tiên, hình ảnh được thu thập bởi một
linh hoạt trong kiểm sóa t, hệ thống máy ảnh và sau đó được xử lý bởi một
UAV có ứng dụng rộng rãi trong công máy tính Raspberry Pi 3 Model B sử
nghiệp, xã hội và quân sự, chẳng hạn dụng không gian màu HSV, phương
như hoạt động tìm kiếm và cứu hộ, pháp lấy ngưỡng để phát hiện các tọa
theo dõi một đối tượng, vận chuyển sản độ X-Y của mục tiêu trên mặt phẳng
phẩm, hàng hóa. Quadcopter là một ảnh 2D. Sau đó, áp dụng bộ lọc
loại UAV với bốn động cơ, nó có ưu Kalman để dự đóa n các tọa độ X'-Y
điểm so với các loại UAV khác vì kết của mục tiêu trong phần thứ hai. Trong
cấu cơ khí đơn giản, khả năng di phần cuối cùng, giá trị tọa độ của X'-
chuyển linh hoạt trong không gian hẹp Y’ được chuyển thành tín hiệu điện
với kích thước nhỏ gọn và rất dễ dàng điều khiển 4 động cơ để hạ cánh. Ngoài
sản xuất. ra, sự cân bằng của quadcopter luôn
Thị giác máy tính bao gồm các lý được đảm bảo bằng cách sử dụng bộ
thuyết và kỹ thuật nhằm tạo ra các hệ điều khiển PID.
thống nhân tạo để thu thập và xử lý
hình ảnh hoặc cơ sở dữ liệu đa chiều VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
bằng máy ảnh. Sự kết hợp giữa thị giác NGHIÊN CỨU
máy tính và các công nghệ kỹ thuật Vật liệu
khác đã và đang tạo ra nhiều ứng dụng S500 Quadcopter Frame Kit ngày càng
trong khoa học, quân sự và nhiều ứng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu
dụng khác. vì chi phí thấp, cứng cáp và dễ lắp ráp.
Ngày nay, các chuyên gia đang đề xuất Hệ thống bao gồm vi điều khiển
các phương pháp để giải quyết các vấn Arduino Uno, 4 bộ điều tốc (ESC), 4
đề giao thông, đáng chú ý có thể kể đến động cơ không chổi than, cảm biến
việc theo dõi tội phạm hoặc hỗ trợ nạn siêu âm HC-HR04, cảm biến MPU-
nhân của một tai nạn giao thông. Một 6050 6 bậc: con quay hồi chuyển 3 trục
phương pháp tiềm năng được đề xuất và cảm biến gia tốc 3 trục, máy tính
trong bài báo này là sử dụng UAV như Raspberry Pi 3 Model B, camera 5.0
một robot hỗ trợ vì đường đi của nó ít MP với độ phân giải tối đa là 720p và
bị hạn chế không gian hơn so với các độ phân giải 640x480 với 30 khung
phương tiện trên mặt đất. Mặt khác, hình/giây được gắn ở dưới thân
một vấn đề khó khăn của UAV là hạ quadcopter để quan sát, pin 3800mAh
cánh an toàn. Hiện tại, các nghiên cứu cho thời lượng bay liên tục từ 10 đến
về việc hạ cánh tự động cho UAV vẫn 15 phút. Các quadcopter có thể đạt
đang được tiến hành trên thế giới. Mục được tốc độ khoảng 3 m/s và hoạt động
đích là để cho phép UAV có khả năng rất tốt cả trong nhà và ngoài trời.
hạ cánh trên tàu và xe tải, hoặc trong Khi bắt đầu, quadcopter cất cánh dưới
trường hợp của lốc xóa y và các thảm một bộ điều khiển từ xa, gồm hai thành
510
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
phần: máy phát sóng Devo 7 và bộ thu ảnh có thể quan sát mục tiêu trong tầm
RX-701 với 7 kênh và tần số 2,4 GHz. nhìn của nó. Hình 1 mô tả các phần
Các chuyến bay hoạt động dưới sự điều cứng gồm mô hình bay và bãi đáp được
khiển của con người cho đến khi máy sử dụng trong nghiên cứu.
Hình 1. Mô hình và mục tiêu sử dụng trong nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu biến gia tốc MPU 6050.
Bộ điều khiển PID là thuật tóa n điều Ngoài ra, trong phần cứng này, một
khiển phổ biến nhất được sử dụng cảm biến siêu âm được sử dụng để duy
trong nhiều ứng dụng để tối ưu hóa hệ trì độ cao của quadcopter trong không
thống một cách tự động. Một bộ điều gian. Trong trường hợp này, tín hiệu
khiển PID có khả năng kiểm sóa t hệ thời gian echo từ cảm biến siêu âm
thống để đáp ứng các tiêu chuẩn chất được đưa trở lại bộ điều khiển PID.
lượng như thời gian đáp ứng nhanh và Cuối cùng, phản hồi các góc nghiêng
giảm độ vọt lố cho hệ thống. và tín hiệu thời gian echo cho các bộ
Trong điều khiển PID cho cân bằng điều khiển PID. Hệ thống cuối cùng
quadcopter. Tín hiệu phản hồi là các được cấu trúc như Hình 2.
giá trị góc nghiêng được tính từ cảm
Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID quadcopter
Phát hiện vùng màu Nhiệm vụ phát hiện đối tượng trong
Một bức ảnh chụp từ máy ảnh được nghiên cứu được thực hiện bằng
định dạng dưới dạng hình ảnh màu ngôn ngữ Python và thư viện
RGB. Tuy nhiên, trong lĩnh vực xử lý OpenCV
ảnh, không gian màu được chuyển Khi màu sắc được xác định bằng HSV,
sang HSV vì những lợi ích nhất định phương pháp lấy ngưỡng được sử dụng
của nó. HSV là một không gian màu để chuyển đổi hình ảnh thành định
thường được sử dụng trong chỉnh sửa dạng nhị phân. Sau đó, các hàm tìm
hình ảnh, phân tích hình ảnh và thị giác kiếm đường biên được thực hiện để
máy tính. Không gian màu này dựa giới hạn vị trí hiện tại của đích. Vị trí
trên ba tham số để mô tả màu sắc: Hue hiện tại được định nghĩa là trung tâm
(H), Saturation (S) và Value (V). của vùng giới hạn.
511
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN cao khác nhau với độ cao từ 100cm đến
Các thí nghiệm được thực hiện trong 150cm so với mục tiêu.
phòng thí nghiệm, đáp cánh từ các độ
Hình 3. Mô phỏng các vị trí đáp
KẾT LUẬN tôi phải đối mặt, đặc biệt là ở phần hạ
Sau nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát cánh. Sau khi cải thiện thuật tóa n hạ
triển, chúng tôi đã thiết kế và lắp ráp cánh và tinh chỉnh mã nguồn,
thành công một mô hình quadcopter quadcopter hiện hoạt động với kết quả
hoàn chỉnh. Bên cạnh đó, một phương tốt. Kết quả thí nghiệm đã chứng minh
pháp hạ cánh tự động dựa trên thị giác rằng quadcopter có khả năng tự động
máy tính với một nền tảng phần cứng hạ cánh trên một mục tiêu cố định rất
quadcopter cũng được trình bày trong tốt với độ chính xác khoảng 80% bằng
bài báo này. Các thí nghiệm được thực cách sử dụng một camera đơn gắn vào
hiện trong nhà nhiều lần ở các độ cao phía dưới, có nghĩa là có 8 trong số 10
khác nhau. Trong thời gian thử lần quadcopter đáp thành công trên
nghiệm, có rất nhiều vấn đề mà chúng mục tiêu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
ĐÀO VĂN HIỆP, TRẦN XUÂN DIỆU, PHÙNG THẾ KIÊN. Modeling of
Quadrotor dynamics. In Vietnam Conference of Control and Automation
2011 (VCCA 2011), Ha Noi, Nov. 25-26, 2011.
POUNDS, PAUL, ROBERT MAHONY, AND PETER CORKE. Modelling and
control of a quadrotorr robot. In Proceedings Australasian Conference on
Robotics and Automation 2006, Australian Robotics and Automation
Association Inc., 2006.
TOMMASO BRESCIANI. Modelling, Identification and Control of a Quadrotor
Helicopter. Department of Automatic Control, Lund University, October
2008, ISSN 0280-5316.
512
nguon tai.lieu . vn
