Đồ án tốt nghiệp mô hình máy bay tự hành thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

MƠ HÌNH MÁY BAY TỰ HÀNH THÔNG MINH

GVHD: TS. ĐẶNG XUÂN BA
SVTH: PHAN VĂN QUÂN

SKL009225

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
-----------------⸙∆⸙-----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH MÁY BAY TỰ HÀNH
THƠNG MINH
GVHD: TS. Đặng Xn Ba
SVTH: Phan Văn Quân
MSSV: 18151231
Khóa: 2018
Ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa

Tp. Hồ Chí Minh tháng 08 năm 2022


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o---Tp. HCM, ngày tháng 08 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Phan Văn Quân

MSSV: 18151231

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Khóa: 2018

Lớp: 181511C

1. TÊN ĐỀ TÀI: Mơ hình máy bay tự hành thơng minh.
2. NHIỆM VỤ:
Nội dung thực hiện:

- Thiết kế mơ hình và thi cơng thực tế quadcopter.
- Xây dựng hệ thống xác định vị trí của quadcopter.
- Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển bộ điều khiển cơ bản và nâng cao
cho quadcopter.
- Chạy mơ hình thực tế ở hai chế độ bằng tay và tự động.
- Lập trình giao diện hỗ trợ điều khiển và giám sát hệ thống.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đặng Xuân Ba
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Phan Văn Quân

MSSV: 18151231

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Tên đề tài: Mơ hình máy bay tự hành thông minh.
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài và khối lượng công việc thực hiện:
2. Ưu điểm:
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
3. Khuyết điểm:
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
4. Đề nghị bảo vệ hay không:
5. Đánh giá loại:
6. Điểm: …...…………(Bằng chữ: …..................................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngành CNKT Điều khiển và Tự động hóa
Họ và tên sinh viên : Phan Văn Qn
Tên đề tài

MSSV: 1815123

: Mơ hình máy bay tự hành thông minh.

Giáo viên phản biện :

Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét chung về nội dung đề tài:

2. Ý kiến kết luận:

Đề nghị: Được bảo vệ:  Bổ sung để được bảo vệ:  Không được bảo vệ: 
3. Điểm: .................... Bằng chữ: …………………………………………………....
4. Câu hỏi phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2022

Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

iii


4. Điểm đánh giá đề tài theo rubric sau:
Tiêu chí 1: Mức độ thời sự của đề tài, độ khó của đề tài (10%)
2
Q dễ thực
hiện

2
Khó ứng dụng

2

Khơng hợp lý

4

6

Điểm
10

8

Vấn đề rất khó/Cần
Thực hiện
Vấn đề vừa
Vấn đề khó/Cần nhiều
được nhưng
sức/Cần phải
nhiều kiến thức tổng
kiến thức tổng hợp đã
dành
thời
gian
thực tế không
học
hợp đã học
nghiên cứu
cần
Tiên chí 2: Tính ứng dụng của đề tài vào thực tiễn (10%)
10
4
6
8
Thực tế bên ngoài đang
Thỉnh thoảng
Thực tế bên ngồi
Có ứng dụng
rất cần và cấp thiết
đang cần

có ứng dụng
Tiêu chí 3: Tính đúng đắn của đề tài, phương pháp nghiên cứu hợp lý (10%)
10
4
6
8

Có phương
pháp nghiên
cứu

Có phương
pháp nghiên
cứu, định
hướng đúng

Phương pháp nghiên
Phương pháp nghiên
cứu rõ ràng, định hướng
đúng

cứu rõ ràng, khoa học,
phù hợp với đề tài

Tiêu chí 4: Giải pháp & công nghệ, thi công/mô phỏng (15%)
3

6

9

15

12

Giải pháp rõ ràng, có
Giải pháp
khơng rõ ràng

Giải pháp sơ
sài

Giải pháp rõ
ràng, có thi
cơng mơ
hình/mơ phỏng

quy trình thực hiện thi

Giải pháp rõ ràng, có
quy trình thực hiện thi
cơng/mơ phỏng vận
hành được

cơng/mơ phỏng vận
hành được, kết quả mô
phỏng/vận hành tốt

3

Nội dung
không rõ ràng

Tiêu chí 5: Trình bày nội dung đồ án (15%)
9
12

6

Báo cáo sơ sài

Có đủ cấu trúc,
nội dung

Có đầy đủ cấu trúc nội
dung, trình bày hợp lý,
khoa học

15
Có đầy đủ cấu trúc nội
dung, trình bày hợp lý,
khoa học, logic, rõ ràng,
dễ hiểu, đúng quy định
về trình bày luận văn

Tiêu chí 6: Khả năng trình bày (10%)
2

4

6

8

Kém

Trung bình

Khá

Tốt

10
Rất tốt - Rõ ràng - Tự tin

Tiêu chí 7: Trả lời các câu hỏi của hội đồng bảo vệ (30%)
6

12

Trả lời được < Trả lời được <
20% số câu hỏi 40% số câu hỏi

18

24

Trả lời được <
60% số câu hỏi

Trả lời được < 80% số
câu hỏi

30
Trả lời được 100% số
câu hỏi

Tổng điểm theo thang 10

iv


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Phan Văn Qn

MSSV: 18151231

Tên đề tài: Mơ hình máy bay tự hành thơng minh.

Thời gian

Nhiệm vụ

20/12/2021 – 26/12/2021 Tìm hiểu về cơ cấu hoạt động của quadcopter.
27/12/2021 – 16/01/2021

Tìm hiểu phần cứng và thử nghiệm cơ bản điều khiển
động cơ.

17/01/2022 – 30/01/2022 Thiết kế phần cứng sử dụng Solidworks.
31/01/2022 – 20/02/2022 Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PID.
21/02/2022 – 13/03/2022 Thiết kế bộ điều khiển LQR, SMC cân bằng bay.
14/02/2022 – 27/03/2021 Tính tốn xác định vị trí quadcopter.
28/03/2022 – 10/04/2022 Thi công phần cứng(4 cánh).
11/04/2022 – 24/05/2022 Lập trình điều khiển cân bằng cho quadcopter.
25/04/2022 – 08/05/2022 Lập trình xác định vị trí quadcopter bằng hệ camera.
09/05/2022 – 22/05/2022 Lập trình điều khiển vị trí cho quadcopter.
23/05/2022 – 24/07/2022 Chạy thực nghiệm, thử sai, đo sai số.
25/07/2022 – 01/08/2022 Hoàn thành luận văn.
02/08/2022 – 09/08/2022 Báo cáo đề tài.

v


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp với đề tài “Mơ hình máy bay tự
hành thơng minh” là nghiên cứu độc lập của nhóm. Đồng thời những số liệu được
cung cấp từ báo cáo đều là kết quả nghiên cứu hồn tồn trung thực, khơng sao chép
từ bất kì một cơng trình nghiên cứu khác nào. Những tài liệu trích dẫn đều đã được
ghi rõ nguồn gốc.
Nhóm xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường nếu trường hợp phát
hiện ra bất cứ sai phạm hay vấn đề sao chép nào trong đề tài này.

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................... iii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................v
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3
1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................3
1.2 Tổng quan về drone ....................................................................................3
1.2.1

Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................... 4

1.2.2

Các nghiên cứu trong nước .................................................................... 4

1.3 Mục tiêu đề tài ............................................................................................5
1.4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài ....................................................5
1.4.1

Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 5

1.4.2

Gới hạn đề tài ......................................................................................... 5

1.5 Giới thiệu nội dung ....................................................................................6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................7
2.1 Khái niệm cơ bản ..........................................................................................7
2.2 Góc Euler ......................................................................................................9
2.3 Mơ hình hóa quadcopter..............................................................................10
2.4 Phương pháp xác định tọa độ vật trong không gian ....................................11
2.4.1 Phương pháp xác định ............................................................................. 12
2.4.2 Xác đinh thông số nội ............................................................................. 13
2.4.3 Xác định thông số ngoại .......................................................................... 16
2.5 Các phần mềm hỗ trợ ..................................................................................17
2.5.1 Phần mềm Matlab ................................................................................... 17
2.5.2 Phần mềm SolidWorks ............................................................................ 18
2.5.3 Phần mềm Visual Studio Code ............................................................... 19
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................21

vi


3.1 Lưu đồ hệ thống ..........................................................................................21
3.2 Thiết kế phần cứng và lựa chọn thiết bị ......................................................22
3.2.1 Vi điều khiển ........................................................................................... 22
3.2.2 Cảm biến ................................................................................................. 22
3.2.3 Động cơ và mạch điều khiển tốc độ động cơ ESC ................................. 23
3.2.4 Khung quadcopter ................................................................................... 25
3.2.5 Camera .................................................................................................... 26
3.2.6 Thiết bị truyền nhận không dây .............................................................. 27
3.2.7 Tay cầm điều khiển ................................................................................. 28
3.3 Thiết kế giao diện ........................................................................................28
3.4. Xác định vị trí vật thể .................................................................................31
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT MƠ HÌNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG .......................32
4.1 Khảo sát mơ hình tốn.................................................................................32
4.2 Mơ phỏng mơ hình trên Matlab – Simulink ................................................32
4.2.1 Mô phỏng bộ điều khiển PID .................................................................. 32
4.2.2 Bộ điều khiển Linear Quadratic Regulator (LQR) ................................. 35
4.2.3 Bộ điều khiển Sliding Mode Controller (SMC) ...................................... 37
4.2.3 Né tránh vật cản tĩnh ............................................................................... 40
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ......................................47
5.1 Kết quả thi công mơ hình ............................................................................47
5.2 Kết quả mơ phỏng .......................................................................................49
5.2.1 Bộ điều khiển PID ................................................................................... 51
5.2.2

Bộ điều khiển nâng cao LQR ............................................................... 56

5.2.3

Bộ điều khiển nâng cao SMC .............................................................. 60

5.2.4

Né tránh vật cản tĩnh ............................................................................ 65

5.3 Kết quả xác định vị trí vật trong không gian ............................................69
5.4 Kết quả thiết kế giao diện.........................................................................70
5.5 Kết quả điều khiển thực tế........................................................................73
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................79
6.1 Kết quả đạt được .........................................................................................79
6.2 Kết luận .......................................................................................................79
6.3 Hướng phát triển .........................................................................................79
vii


Tài liệu tham khảo ..................................................................................................80
Tài liệu tiếng Việt ..............................................................................................80
Tài liệu tiếng Anh ..............................................................................................80

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Drone nơng nghiệp và drone vận chuyển thiết bị y tế ................................3
Hình 1. 2 Drone siêu nhỏ PD-100 Black Hornet ........................................................4
Hình 2. 1 Cấu hình quadcopter ...................................................................................7
Hình 2. 2 Lực nâng ......................................................................................................8
Hình 2. 3 Chuyển động quay góc pitch .......................................................................8

Hình 2. 4 Chuyển động quay góc roll .........................................................................8
Hình 2. 5 Chuyển động quay góc yaw ........................................................................9
Hình 2. 6 Góc Euler ..................................................................................................10
Hình 2. 7 Camera xác đinh tọa độ quadcopter ..........................................................12
Hình 2. 8 Hình học ảnh của vật trên camera .............................................................12
Hình 2. 9 Phép chiếu từ khơng gian 3D sang 2D ......................................................13
Hình 2. 10 Chuyển đổi tọa độ trên màn ảnh sang tọa độ pixel .................................14
Hình 2. 11 Hình ảnh bị méo ......................................................................................15
Hình 2. 12 Các dạng méo xuyên tâm ........................................................................16
Hình 2. 13 Biến dạng tiếp tuyến................................................................................16
Hình 2. 14 Hệ tọa độ gốc và hệ tọa độ camera .........................................................17
Hình 2. 15 Giao diện phần mềm Matlab 2020a ........................................................18
Hình 2. 16 Simulink Matlab ......................................................................................18
Hình 2. 17 SolidWorks 2019 .....................................................................................19
Hình 2. 18 Visual Studio Code .................................................................................20
Hình 3. 1 Lưu đồ quadcopter ....................................................................................21
Hình 3. 2 Hệ camera ..................................................................................................21
Hình 3. 3 Arduino Uno..............................................................................................22
Hình 3. 4 Cảm biến MPU6050 và QMC5883L ........................................................23
Hình 3. 5 Cảm biến siêu âm HY-SRF05 ...................................................................23
Hình 3. 6 Động cơ khơng chổi than A2212 ..............................................................24
Hình 3. 7 Cánh quạt 7 inch........................................................................................24
Hình 3. 8 50Hz PWM

Hình 3. 9 ESC 30A ..........................................................25

Hình 3. 10 Khung quadcopter ...................................................................................25
Hình 3. 11 Bảo vệ cánh .............................................................................................26
ix

Hình 3. 12 Webcam Brio Ultra HD Pro ....................................................................26
Hình 3. 13 NRF24l01 ................................................................................................27
Hình 3. 14 Mặt trên của tay cầm điều khiển .............................................................28
Hình 3. 15 Mặt dưới của tay cầm điều khiển ............................................................28
Hình 3. 16 Giao diện bắt đầu (Home) .......................................................................29
Hình 3. 17 Tổng quan giao diện và cài đặt (Main) ...................................................29
Hình 3. 18 Trang quan sát dữ liệu xyz dưới dạng đồ thị (xyz_page) .......................30
Hình 3. 19 Trang quan sát dữ liệu góc quay dưới dạng đồ thị (rpy_page) ...............30
Hình 3. 20 Hình ảnh tác vật mẫu...............................................................................31
Hình 4. 1 z rơi tự do ..................................................................................................32
Hình 4. 2 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển quadcopter .........................33
Hình 4. 3 Mơ phỏng bộ điều khiển PID trên Simulink .............................................33
Hình 4. 4 Khối “Controller” của bộ điều khiển PID trên Simulink ..........................34
Hình 4. 5 Khối “Quadcopter” mơ phỏng trên Simulink ...........................................34
Hình 4. 6 Mơ phỏng bộ điều khiển LQR trên Simulink ...........................................37
Hình 4. 7 Mơ phỏng bộ điều khiển SMC trên Simulink ...........................................40
Hình 4. 8 Khối “Controller” của bộ điều khiển SMC trên Simulink ........................40
Hình 4. 9 Biểu diễn hình học của quadcopter và chướng ngại vật ...........................41
Hình 4. 10 Hồn thành né tránh va chạm ..................................................................42
Hình 4. 11 Đường đi của quadcopter đến vị trí mục tiêu ..........................................44
Hình 4. 12 Sơ đồ khối tổng qt của thuật tốn ........................................................45
Hình 4. 13 Mô phỏng né vật cản tĩnh trên Simulink .................................................46
Hình 4. 14 Khối “Controller” trên Simulink .............................................................46
Hình 5. 1 Kết quả mơ hình thực tế nhìn từ trên cao ..................................................47
Hình 5. 2 Kết quả mơ hình thực tế nhìn từ trên một bên ..........................................47
Hình 5. 3 Kết quả thực tế tay cầm điều khiển ...........................................................48
Hình 5. 4 Hệ thống camera .......................................................................................49
Hình 5. 5 Đường trịn đặt trên mặt phẳng xy ............................................................50
Hình 5. 6 Thêm nhiễu trên Simulink .........................................................................50

Hình 5. 7 Nhiễu trên xyz (cm) ..................................................................................51
Hình 5. 8 Nhiễu trên  (độ) .................................................................................51
Hình 5. 9 Kết quả điều khiển với tín hiệu là hằng số ................................................52
x


Hình 5. 10 Kết quả điều khiển với tín hiệu là đường trịn ........................................53
Hình 5. 11 Kết quả đáp ứng đường trịn ...................................................................53
Hình 5. 12 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số có nhiễu ...................................54
Hình 5. 13 Bộ lọc thơng thấp ....................................................................................54
Hình 5. 14 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số có nhiễu ...................................54
Hình 5. 15 Kết quả điều khiển với tín hiệu đường trịn có nhiễu..............................55
Hình 5. 16 Kết quả đáp ứng đường trịn có nhiễu .....................................................55
Hình 5. 17 18 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số .............................................56
Hình 5. 19 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số ..................................................57
Hình 5. 20 Đường trịn đáp ứng ................................................................................57
Hình 5. 21 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số có nhiễu ...................................58
Hình 5. 22 Kết quả điều khiển với tín hiệu đường trịn có nhiễu..............................59
Hình 5. 23 Đáp ứng đường trịn ................................................................................59
Hình 5. 24 Hiện tượng chattering của tín hiệu điều khiển khi dùng hàm sign .........60
Hình 5. 25 Tín hiệu điều khiển khi thay hàm sign bằng hàm saturation ..................61
Hình 5. 26 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số ..................................................61
Hình 5. 27 Kết quả điều khiển với tín hiệu đường trịn ............................................62
Hình 5. 28 Đáp ứng đường trịn ................................................................................62
Hình 5. 29 Bộ lọc thơng thấp ....................................................................................63
Hình 5. 30 Kết quả điều khiển với tín hiệu hằng số có nhiễu ...................................63
Hình 5. 31 Kết quả điều khiển với tín hiệu đường trịn có nhiễu..............................64
Hình 5. 32 Đáp ứng đường trịn ................................................................................64
Hình 5. 33 Kết quả điều điều khiển khi vật cản nằm ngồi quỹ đạo ........................66
Hình 5. 34 Các giá trị khoảng cách và góc giữa quadcopter và vật cản ...................66

Hình 5. 35 Quỹ đạo chuyển động của quadcopter (đỏ) và vật cản (xanh) ................67
Hình 5. 36 Kết quả điều điều khiển khi vật cản nằm trên quỹ đạo. ..........................67
Hình 5. 37 Các giá trị khoảng cách và góc giữa quadcopter và vật cản ...................67
Hình 5. 38 Quỹ đạo của quadcopter (đỏ) và vật cản (xanh) .....................................68
Hình 5. 39 Kết quả điều điều khiển khi vật cản nằm trên quỹ đạo. ..........................68
Hình 5. 40 Các giá trị khoảng cách và góc giữa quadcopter và vật cản ...................68
Hình 5. 41 Quỹ đạo của quadcopter (đỏ) và vật cản (xanh) .....................................69
Hình 5. 42 Tọa độ vật từ camera (camera phải)........................................................69
xi


Hình 5. 43 Cửa sổ “Main”.........................................................................................71
Hình 5. 44 Trang quan sát dữ liệu xyz (cm) “xyz_page” .........................................72
Hình 5. 45 Trang quan sát dữ liệu roll pitch yaw (độ) “rpy_page” ..........................72
Hình 5. 46 Kết quả đáp ứng roll pitch yaw khi điều khiển bằng tay ........................73
Hình 5. 47 Giá trị tọa độ xyz điều khiển bằng tay ....................................................73
Hình 5. 48 Dữ liệu xy lưu về được vẽ trên matlab khi điều khiển bằng tay .............74
Hình 5. 49 Kết quả vị trí điều khiển bằng chế độ tự động thí nghiệm 2 ...................74
Hình 5. 50 Kết quả đáp ứng roll pitch yaw khi điều khiển tự động thí nghiệm 2 ....75
Hình 5. 51 Dữ liệu xy được vẽ trên matlab khi điều khiển tự động thí nghiệm 2 ....75
Hình 5. 52 Kết quả vị trí điều khiển bằng chế độ tự động thí nghiệm 3 ...................76
Hình 5. 53 Kết quả đáp ứng roll pitch yaw khi điều khiển tự động thí nghiệm 3 ....76
Hình 5. 54 Dữ liệu xy được vẽ trên matlab khi điều khiển tự động thí nghiêm 3 ....77
Hình 5. 55 Hình ảnh chụp từ camera trong quá trình bay quadcopter ......................78

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Các thơng số mơ hình ...................................................................................49

Bảng 2 Thông số bộ điều khiển PID .........................................................................51
Bảng 3 Đáp ứng bộ điều khiển PID ..........................................................................52
Bảng 4 Đáp ứng bộ điều khiển LQR .........................................................................56
Bảng 5 Thông số bộ điều khiển SMC .......................................................................60
Bảng 6 Đáp ứng bộ điều khiển SMC ........................................................................61
Bảng 7 Các tham số số và giá trị ban đầu để mô phỏng né tránh vật cản .................65
Bảng 8 Thông số PID được chọn mô phỏng né tránh vật cản ..................................65
Bảng 9: Kết quả thử nghiệm xác định vị trí bằng camera .........................................70

xiii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên nhóm xin gửi lời cảm ơn và lời tri ân sâu sắc đến Thầy – Tiến sĩ
Đặng Xuân Ba, giảng viên trực tiếp hướng dẫn đồ án tốt nghiệp vì đã tận tình chỉ bảo,
khích lệ nhóm trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, cũng như hệ thống giáo dục để nhóm áp
dụng những kiến thức đã học vào đề tài.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là Bộ môn Tự
Động Điều Khiển đã nhiệt tình giảng dạy cho nhóm các kiến thức từ các môn cơ sở
ngành đến các môn chuyên ngành, giúp nhóm có được lượng kiến thức vững vàng và
tạo nền móng cho con đường phát triển sự nghiệp của nhóm sau này.
Hơn nữa, nhóm cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình đã ln ở bên và động
viên cho nhóm. Bên cạnh đó, nhóm xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn bộ tập
thể thành viên của phịng thí nghiệm Dynamics and Robotics Control Lab, đặc biệt là
anh Phong, anh Phú và anh Thông đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm giải đáp những thắc
mắc cũng như khó khăn khi thực hiện đồ án.
Lời cuối cùng, nhóm xin kính chúc các thầy cơ dồi dào sức khỏe và sẽ gặt hái
được nhiều thành công hơn trong hành trình sự nghiệp giảng dạy cao q. Đồng kính

chúc những người thân và bạn bè có nhiều sức khỏe, nghị lực và đạt được nhiều thành
công trong cuộc sống.

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2022

Sinh viên thực hiện

1


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Dựa vào các kiến thức đã học về điều khiển tự động và những sự tìm hiểu về
ngành công nghiệp robot hiện nay trong suốt những năm đại học, nhóm nhận thấy
nghiên cứu robot là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất ngày nay. Cho đến
nay, các loại robot tự động, bán tự động hay cao cấp hơn là robot với trí tuệ nhân tạo
ngày càng phổ biến và phát triển rộng rãi mọi nơi. Nắm bắt được xu hướng nghiên
cứu của ngành điều khiển tự động, nhóm đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp
liên quan đến robot.
Tuy nhiên, do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế mà lĩnh vực robot rất phức
tạp và tân tiến, nên nhóm cho rằng thật là thú vị nếu nhóm có thể thiết kế, chế tạo và
điều khiển được một mẫu thử robot làm việc một cách tồn diện trong khơng gian.
Với đề tài đồ án tốt nghiệp “Mơ hình máy bay tự hành thơng minh”, nhóm đã thực
hiện các nội dung sau:
• Thiết kế và chế tạo mơ hình máy bay quadcopter.
• Lập trình thị giác máy để xác định vị trí của robot.
• Tiến hành mô phỏng kiểm chứng hoạt động của các bộ điều khiển cơ bản và

nâng cao cho máy bay.
• Lập trình điều khiển mơ hình máy bay ở hai chế độ bằng tay và tự động.
• Lập trình giao diện giám sát và điều khiển mơ hình máy bay quadcopter.
Nhóm tiến hành mơ phỏng phương trình động lực học, đồng thời nghiên cứu chế
tạo mơ hình thực nghiệm. Sau khi thử nghiệm các thuật tốn với mơ hình mơ phỏng,
nhóm đã tiến hành áp dụng các tính tốn đã mơ phỏng lên mơ hình thực.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, sự trưởng thành theo thời
gian của công nghệ hiện đại. Những sản phẩm có hàm lượng cơng nhệ cao đã và đang
được đưa gần hơn để nâng cao cho đời sống. Thiết bị bay không người lái (UAV hay
drone) trước đây chỉ sử dụng cho mục đích quân sự. Tuy nhiên, trong làn sống cánh
mạng 4.0 với việc ứng dụng các thành tựu khoa học tiên tiến đã đưa các sản phẩm
công nghệ hiện đại hay drone vào trong cuộc sống với đa dạng lĩnh vực đặc biệt là
trong lĩnh vực cơng nghiệp, nơng nghiệp, truyền hình,cũng như ứng dụng trong hàng
không vũ trụ, cứu hộ cứu nạn, vận tải. Hình 1.1 mơ tả các ứng dụng của drone trong
nơng nghiệp và trong vận chuyển y tế.
Drone có thể bao gồm nhiều loại với kích thước, hình dạng và đảm nhiệm nhiều
vai trò khác nhau. Cấu tạo của drone bao gồm các thành phần chính gồm: bộ động
cơ, vi xử lý trung tâm, cánh quạt, khung, nguồn cấp năng lượng (pin). Người dùng có
thể điều khiển máy bay khơng người lái bằng bộ điều khiển từ xa hoặc lập trình sẵn
theo lộ trình. Nhờ sự phát triển về thuật tốn điều khiển bay và sức mạnh của xử lý
ảnh, nhóm quyết định chọn drone cụ thể là quadcopter (drone có bốn động cơ) là đối
tượng cho đồ án mơ hình máy bay tự hành thơng minh.

Hình 1. 1 Drone nơng nghiệp và drone vận chuyển thiết bị y tế

1.2 Tổng quan về drone
Thực tế công nghệ máy bay không người lái đã được manh nha từ rất lâu trước
đó vào những thập niên 90 của thế kỷ XIX. Từ giữa những năm 1800, người Áo đã
chế tạo ra một quả bom bóng bay để tấn cơng thành phố Venice. Chính ý tưởng này
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
là nền tảng cho những phát minh sau này. Hiện nay máy bay không người lái đã có
những bước phát triển vượt bậc, được sự quan tâm phát triển cả trong và ngoài nước.
1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới đã phát triển ra các drone thơng minh được tích hợp các cơng nghệ
tự bảo vệ và tuân thủ lệnh, cảm biến chính xác và tự giám sát. Drone sẽ được tích hợp
với nhiều tính năng tự động chuyên biệt khác, đảm bảo khả năng quay chụp trên
không và mặt đất để cung cấp các giải pháp kiểm tra khép kín. Tự động hóa, học máy
(machine learning) và AI sẽ nâng cao chất lượng thu thập và kiểm tra dữ liệu, đảm
bảo tăng tốc phản ứng và đưa ra hành động của drone trong tương lai.
Sự đầu tư lớn để phát triểm drone đã tạo ra những sản phẩm mang tính đột phá
như drone siêu nhỏ, bầy đàn bay tự động hồn tồn, có thể được nhìn thấy ở Hình
1.2.

Hình 1. 2 Drone siêu nhỏ PD-100 Black Hornet

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước
Trong nước, drone cũng được chú trọng phát triển và đạt được những thành tự
đáng kể trong quân sự lẫn thương mại như các máy bay trinh sát, do thám trên không
đặc biệt là trên Biển Đông hay drone nông nghiệp của MiSmart.

Chủ đề drone cũng là một chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm của sinh viên, nhiều
mơ hình drone được chọn để nghiên cứu và phát triển. Dù gặp khó khăn trong việc
thiếu kinh nghiệm nghiên cứu nhưng việc kết hợp với công nghệ mới và hiện đại như
4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
xử lý ảnh, IoT, AI, … đã được nghiên cứu ngày càng nhiều. Nhưng hầu hết là bay
bằng chế độ cầm tay hoặc tự động chỉ trong thời gian ngắn.
1.3 Mục tiêu đề tài
- Xây dựng phương trình tốn học cho hệ drone.
- Mơ phỏng hệ drone với các bộ điều khiển.
- Thiết kế cơ khí mơ hình thực tế.
- Sử dụng hệ thống thị giác máy tính để xác định vị trí drone.
- Lập trình điều khiển drone ở chế độ bằng tay và tự động.
- Xây dựng chương trình hỗ trợ điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống
bằng Python.
1.4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
- Mơ hình mơ phỏng điều khiển máy bay quadcopter.
- Mơ hình thực nghiệm và điều khiển máy bay quadcopter thực tế.
- Phương pháp xác định vị trí vật thể trong không gian.
1.4.2 Gới hạn đề tài
Do kinh nghiệm, kiến thức chun mơn của nhóm có hạn, nguồn kinh phí eo hẹp
nên đề tài còn tồn đọng những giới hạn sau:
- Hệ thống chỉ hoạt động tốt trong mơi trường có điều kiện lý tưởng, ít nhiễu.
- Mơ hình thực nghiệm có phần cứng được làm từ các vật liệu đơn giản và nhựa
in 3D.
- Các thuật toán liên quan đến việc cân chỉnh hệ thống thị giác máy tính được
sử dụng như tài liệu tham khảo để phục vụ cho việc nhận dạng vị trí vật, hồn

tồn khơng nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài.
- Nhóm chỉ tiến hành triển khai bộ điều khiển PID cho các thử nghiệm bay thực
tế. Các bộ điều khiển nâng cao khác sẽ được áp dụng cho hệ thống trong tương
lai.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.5 Giới thiệu nội dung
Chương 1: Tổng quan - trình bày một cách tổng quan ngắn gọn của bài báo cáo
gồm giới thiệu, mục tiêu, và phạm vi đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương này sẽ trình bày sơ lược về nguyên lý hoạt
động của hệ thống, những lý thuyết cơ bản về quadcopter, các thuật toán để giải quyết
những yêu cầu đặt ra và những phần mềm được nhóm sử dụng cho việc nghiên cứu.
Chương 3: Thiết kế và thi cơng mơ hình - Chương này sẽ trình bày về trình tự
thiết kế phần cứng, cấu tạo của quadcopter, các thiết bị được sử dụng và kết quả của
các công đoạn thi công mơ hình.
Chương 4: Khảo sát mơ hình tốn và mơ phỏng - Chương này sẽ trình bày về
việc tính tốn các phương trình động học, động lực học của hệ thống và kết quả mơ
phỏng các phương trình tính tốn được.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá - Chương này sẽ trình bày các kết quả
đạt được của đề tài, sau đó nêu lên nhận xét và đánh giá.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển - Chương này sẽ trình bày kết luận của
nhóm về kết quả nghiên cứu và hướng phát triển nghiên cứu dành cho đề tài do nhóm
đề ra.

6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Khái niệm cơ bản
Hình 2.1 biểu diễn các thơng tin và cấu hình cơ bản của một quadcopter trong hệ
trục tọa độ tham chiếu. Góc quay và vị trí của quadcopter có thể được kiểm sốt đến
giá trị mong muốn bằng cách thay đổ tốc độ của bốn động cơ. Các lực và mơ men
sau có thể thay đổi trên quadcopter: lực đẩy của motor, mơ men quay góc roll, pitch
quanh trục x,y gây ra bởi sự chênh lệch của lục đẩy bốn động cơ, trọng lực, hiệu ứng
con quay hồi chuyển và mơ men quay góc yaw quanh trục z. Hiệu ứng con quay
chuyển chỉ xuất hiện trong quadcopter có kết cấu nhẹ. Góc yaw quay khi có sự không
cân bằng của tốc độ bốn động cơ, điều này có thể được loại bỏ khi có các cặp cánh
quạt quay ngược chiều.Vì vậy, các cánh quạt được chia thành 2 nhóm quay ngược
chiều nhau. Cụ thể chúng được phân biệt:
• Cánh quạt trước và sau (số 1 và số 3) quay cùng chiều kim đồng hồ.
• Cánh quạt bên trái và bên phải (số 4 và số 2) quay ngược chiều kim đồng hồ.

Hình 2. 1 Cấu hình quadcopter

Chuyển động trong không gian của máy bay thân cứng có thể được chia thành hai
phần: chuyển động trung tâm và chuyển động quanh trung tâm. Sáu bậc tự do được
yêu cầu trong việc mô tả bất kỳ chuyển động nào trong không gian thời gian. Chúng
là ba chuyển động trung tâm và ba chuyển động góc, cụ thể là ba chuyển động tịnh
tiến và ba chuyển động quay dọc theo ba trục. Việc điều khiển sáu bậc chuyển động
7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
tự do có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của các động cơ khác
nhau. Các chuyển động bao gồm chuyển động tiến và lùi, chuyển động ngang, chuyển

động thẳng đứng, chuyển động quay quanh 3 trục. Chuyển động quay quanh trục z
của quadcopter có thể được thực hiện bằng mơ men phản kháng do động cơ tạo ra.
Độ lớn của mômen phản kháng liên quan đến tốc độ động cơ. Khi bốn tốc độ động
cơ giống nhau, mômen phản kháng sẽ cân bằng lẫn nhau và quadcopter sẽ không
quay, ngược lại nếu bốn tốc độ động cơ khơng hồn tồn giống nhau, mômen phản
kháng sẽ không cân bằng và quadcopter sẽ bắt đầu quay. Khi bốn tốc độ quadcopter
tăng và giảm đồng bộ cũng được yêu cầu trong chuyển động thẳng đứng. Bởi vì có
bốn đầu vào và sáu đầu ra trong một quadcopter, quadcopter như vậy được coi là một
hệ thống phức phi tuyến.
Tùy thuộc vào tốc độ quay của mỗi cánh quạt, có thể xác định bốn chuyển động
cơ bản của quadcopter, được trình bày trong Hình 2.2 đến Hình 2.5.

Hình 2. 2 Lực nâng

Hình 2. 3 Chuyển động quay góc pitch

Hình 2. 4 Chuyển động quay góc roll

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 5 Chuyển động quay góc yaw

2.2 Góc Euler
Góc Euler là ba góc được Leonhard Euler đưa ra để mô tả hướng của một vật thể
cứng đối với một hệ tọa độ cố định. Chúng cũng được sử dụng để mô tả hướng của
một hệ quy chiếu so với một hệ quy chiếu khác và chúng biến đổi tọa độ của một
điểm trong hệ quy chiếu thành tọa độ của cùng một điểm trong hệ quy chiếu khác.

Góc Euler đại diện cho một chuỗi ba phép quay phần tử, tức là phép quay về các trục
của một hệ tọa độ, vì bất kỳ hướng nào cũng có thể đạt được bằng cách tạo ba phép
quay phần tử. Các phép quay này bắt đầu từ một hướng chuẩn đã biết. Sự kết hợp này
được sử dụng được mô tả bởi các ma trận xoay sau đây:

0
0 
1
Rx ( ) = 0 c( ) − s( )  ,
0 s( ) c( ) 

(2.0)

 c( ) 0 s( ) 
Ry ( ) =  0
1
0  ,
 − s( ) 0 c( ) 

(2.1)

c( ) − s( ) 0 
Rz ( ) =  s( ) c( ) 0 
 0
0
1 

(2.2)

trong đó,  , , lần lượt là góc quay quanh trục x,y,z hay cịn được gọi là góc roll,

pitch, yaw, c( ) = cos( ), s( ) = sin( ), c( ) = cos( ), s( ) = sin( ), c( ) = cos( ),
s( ) = sin( ) . Vì vậy, ta tính được ma trận xoay Rzxy ( , , ) :

9