Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý môi trường

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA














BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của hội đồng nghiệm thu ngày 22/01/2010)


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHÍ CỤ BAY TỰ ĐỘNG
VÀO CÔNG TÁC QUAN TRẮC PHỤC VỤ
QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: HUỲNH VĂN KIỂM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 02/ 2010


i
TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
(Theo đề cương đã duyệt)

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý
và bảo vệ môi trường" được thiết lập nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khí cụ bay tự
động, mang được các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo
lộ trình lập sẵn phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên. Để thực
hi
ện được đề tài này, cần hoàn thành một khối lượng công việc khá lớn. Do đó chúng tôi
chia ra làm hai giai đoạn. Trong giai đoạn 1: thiết kế & chế tạo máy bay sao cho ổn định,
điều khiển tốt & có khả năng mang tải; thiết kế & chế tạo các mạch điện cảm biến để thu
thập dữ liệu bay; nhận dạng mô hình toán học của máy bay từ dữ liệu bay; xây dựng giải

thu
ật điều khiển bay tự động và mô phỏng trên máy tính; viết chương trình phần mềm cho
trạm mặt đất; kiểm tra khả năng chụp ảnh trên không. Trong giai đoạn 2, phần hiệu chỉnh
các hệ thống máy bay và bay tự động sẽ được hoàn tất. Trong dự án này chúng tôi chỉ thực
hiện giai đoạn 1. Giai đoạn 2 sẽ được thực hiện trong dự án khác. Dự án này bao gồm các
nội dung nghiên cứ
u như sau:
1. Phân tích nhu cầu sử dụng khí cụ bay tự động (UAV) trong công việc quan trắc,
phục vụ cho quản lý và bảo vệ môi trường Tp HCM
a. Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường
Tp.HCM.
b. Phân tích để lựa chọn lọai máy bay (MB), thông số thiết kế cần thiết cho MB.
c. Xác định kích thước và thông số của MB dùng trong nghiên cứu thử nghiệm.
d.
Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh giám sát môi trường.
2. Thiết kế, chế tạo MB
a. Thiết kế MB.
b. Chế tạo MB.
c. Bay thử nghiệm, đánh giá chất lượng của MB thiết kế, chế tạo, kiểm tra, hiệu
chỉnh.
3. Xác định các thông số ổn định và điều khiển của MB (nhận dạng hệ thống)
a. Xây dựng mô hình toán cho MB với các thông số ổn định và điều khiển.
b. Xây dựng chương trình tính ngược (giải thuật, chương trình) các thông số ổn định
và điều khiển (stability & control derivatives) từ dữ liệu bay thử nghiệm
c. Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính trên máy tính bằng phần mềm
MATLAB. Nhận dạng hệ thống từ dữ liệu bay thử nghiệm.
4. Xây dựng chương trình điề
u khiển tự động MB (giai đoạn bay bằng)
a. Xác định các yêu cầu bay tự động, chất lượng bay (flying qualities).
b. Phân tích đặc điểm, tính năng của hệ thống tự ổn định của máy bay.

c. Xây dựng giải thuật điều khiển và dẫn đường.
d. Viết chương trình điều khiển tự động bay cho MB.
e. Mô phỏng, kiểm nghiệm và hiệu chỉ
nh chương trình điểu khiển tự động bay trên
máy tính bằng phần mềm MATLAB.
5. Thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử cần thiết của máy bay, lập trình phần mềm
theo dõi hoạt động bay
a. Thiết kế các mạch điện tử thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, và mạch điều
khiển các cơ cấ
u chấp hành servo.
b. Xây dựng chương trình phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất. Trạm mặt đất
giúp cho người điều khiển có thể theo dõi tín hiệu camera, các trạng thái của máy
bay trong quá trình bay thử, đánh giá được chất lượng của chương trình điều khiển
tự động và can thiệp vào điều khiển, nhiệm vụ của máy bay khi cần thiết.
c. Nghiên cứu truyền dữ
liệu giữa MB & trạm mặt đất

ii

Bố cục của báo cáo nghiệm thu được trình bày dưới dạng các chương, một số chương đã
được báo cáo tại các hội nghị Cơ Điện Tử Toàn Quốc 2008 - Đà Nẵng, HN Cơ Học Toàn
Quốc 2009 - Hà Nội, The 2009 International Forum on Strategic Technologies
(IFOST2009) - TP.Hồ Chí Minh, Tạp Chí Tin Học & Điều Khiển
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA
Chương 3: Thiết k
ế hệ thống cảm biến đo lường trên máy bay KATA
Chương 4: Phân tích & lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến
Chương 5: Nhận dạng hệ thống máy bay từ dữ liệu bay thử nghiệm
Chương 6: Thiết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho máy bay KATA

Chương 7: Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặ
t đất
Chương 8: Nghiên cứu ứng dụng camea quan trắc cho UAV
Chương 9: Thử nghiệm truyền nhận tín hiệu camera giữa máy bay & trạm mặt đất
Trong đó chương 1 sẽ giới thiệu sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học &
khả năng ứng dụng. Từ việc tìm hiểu nhu cầu quan trắc của Viện Tài Nguyên & Môi
Trường Tp.HCM, những chuyến đi khảo sát thực tế
, nhóm nghiên cứu đưa ra một số bài
toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM & phân tích khả năng giải quyết bài toán của nhóm
nghiên cứu. Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài cũng được xác định rõ
ràng.
Máy bay là một trong những đối tượng nghiên cứu chính của MB, đòi hỏi phải mang được
tải (máy chụp ảnh, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất không khí ), bay ổn định và tầm bay đủ lớn
để
chụp ảnh trên một phạm vi rộng, có khả năng điều khiển tốt để thực hiện các thao tác
trên không cũng như bay tự động theo quỹ đạo cho trước. Do vậy cần phải có một thiết kế
tốt cho máy bay. Chương 2 trình bày các yêu cầu kỹ thuật đối với MB KATA, qui trình
thiết kế & chế tạo, các đặc tính ổn định & điều khiển của MB, các bản vẽ 2D & 3D, các
bảng thông s
ố kỹ thuật & kết quả bay thử nghiệm.
Để có thể điều khiển MB bay tự động thì các thông số trạng thái của MB cần được xác
định. Chương 3 trình bày thiết kế hệ thống cảm biến (phân tích thiết kế, lựa chọn cảm biến,
thiết kế chi tiết) đo lường các thông số trạng thái của MB KATA bao gồm các cảm biến
đo: vị trí (GPS), gia tốc, vận tốc góc, tốc
độ gió, độ cao, từ trường (la bàn số), góc lệch của
các bề mặt điều khiển. Hệ thống cảm biến trên MB KATA thỏa mãn các yêu cầu cung cấp
đầy đủ các tín hiệu đo thích hợp cho hệ thống điều khiển trung tâm, cung cấp dữ liệu bay
thử nghiệm đủ để nhận dạng hệ thống MB, thỏa mãn yêu cầu về tổng trọng lượng và kích
thước phù hợp với kh
ả năng tải của MB, chi phí thấp.

Mặc dù hệ thống cảm biến đã sử dụng các mạch lọc và mạch khếch đại analog bằng
hardware, song các mạch lọc này chỉ loại được nhiễu ở một dải tần số nhất định. Do vậy,
các dữ liệu đo được từ hệ thống cảm biến trước khi đưa vào sử dụng cần được lọc b
ằng
phần mềm: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc Kalman. Các góc Euler của MB (Pitch, Roll,
Yaw) không thể đo trực tiếp mà phải ước lượng từ các đại lượng đo lường quán tính IMU
(a
x
, a
y
, a
z
, p, q, r) kết hợp với la bàn số và GPS. Thuật toán lọc Kalman được dùng để ước
lượng những góc Euler này. Những phân tích & lọc dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến
được trình bày trong chương 4. Các kết quả lọc dữ liệu thu được từ mô phỏng Matlab, thí
nghiệm trên bàn xoay 3 trục, bay thử nghiệm cũng được trình bày trong chương này. Phần
giới thiệu về IMU, lọc Kalman được trình bày chi tiết trong phụ lục A.
Để phân tích và thiế
t kế hệ thống điều khiển tự động cho MB cần phải hiểu rõ đặc tính
động lực học của MB-được mô hình hóa dưới dạng hệ thống phương trình cơ học bay.
Trong chương 5, mô hình này chứa các tham số ổn định và điều khiển của MB được ước

iii
lượng từ dữ liệu bay thử nghiệm bằng 2 phương pháp nhận dạng phổ biến trong hàng
không là Equation Error và Maximum Likelihood. Các tín hiệu cung cấp cho quá trình bay
thử nghiệm là xung vuông 3-2-1-1 và tín hiệu thử tối ưu (được thiết kế bằng phương pháp
quy hoạch động Bellman). Cấu trúc của mô hình toán được xác định bằng phương pháp
SWR. Bộ thống số MB ước lượng được cũng mô tả gần với đáp ứng động lự
c học của MB
khi bay thử nghiệm. Mô hình toán học này có thể được dùng làm căn cứ đánh giá đặc tính

động lực học & điều khiển của MB khi thiết kế bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA.
Sau khi nhận dạng được hệ thống MB, cụ thế là bộ thông số ổn định và điều khiển của
MB, giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA đượ
c thiết kế & trình bày trong
chương 6. Bộ điều khiển bay tự động gồm có 2 mode chính: mode dọc trục, mode
ngang/hướng. Điều khiển logic mờ điều khiển hướng của MB, giúp MB bám quỹ đạo cho
trước dưới dạng điểm-điểm. Điều khiển PI duy trì độ cao và vận tốc của MB khi bay tự
động. Giải thuật di truyền đa mục tiêu được sử dụng để
thiết kế tối ưu bộ điều khiển mờ.
Các mục tiêu này bao gồm cực tiểu hóa sai số bám điểm, độ thay đổi góc nghiêng cánh,
độ thay đổi bề mặt điều khiển, cực đại hóa thời gian bay bằng. Bộ điều khiển bay tự động
được mô phỏng trên MATLAB và AeroSim cho thấy MB ổn định trong điều kiện không
/có nhiễu động do gió. Một số phân tích về hệ th
ống điều khiển bay tự động thường gặp ở
MB được trình bày trong phụ lục B.
Chương 7 trình bày vai trò của trạm mặt đất đối với họat động của UAV, các yêu cầu cho
việc xây dựng chương trình ở mức độ hiển thị thông số của UAV, phân tích, thiết kế và
xây dựng phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất, các nghiên cứu về giao tiếp giữa phầ
n
cứng với máy tính, cổng nối tiếp RS232, giao thức của thông điệp, xử lý dữ liệu, thiết kế
cấu trúc các thành phần của chương trình, mô hình ứng xử, hiển thị trực quan dữ liệu bay,
thiết kế đồ họa giao diện. Các yêu cầu cụ thể đặt ra đối với chương trình phần mềm của
trạm: khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu từ UAV g
ửi về; khả năng theo dõi các trạng thái
thực của UAV (cao độ, góc nghiêng, vận tốc,….); khả năng theo dõi, xác định vị trí của
UAV, khả năng lưu trữ dữ liệu; khả năng trình diễn, mô phỏng lại quá trình bay. Kết quả
kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng (MB, trạm mặt đất) cũng được trình
bày trong chương này
Nghiên cứu ứng dụng camera quan trắc cho UAV được trình bày trong chương 8 bao gồ
m:

tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV, phân tích lựa chọn camera cho
UAV, đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA, kết luận và một số kiến
nghị.
Chương 9 trình bày thử nghiệm việc truyền tín hiệu camera giữa MB KATA và trạm mặt
đất. Giới thiệu về hệ thống camera quan trắc trên MB KATA. Thiết lập truyền nhận dữ liệu
hình ảnh giữa MB và trạm mặt đất. M
ột số kết quả hình ảnh camera thu được khi MB
KATA bay thử nghiệm. Đánh giá kết quả và một số kiến nghị
Phần kết luận của báo cáo nghiệm thu tóm tắt lại các công việc mà nhóm nghiên cứu đã
hoàn thành, các kết quả & sản phẩm đạt được, một số kiến nghị & hướng phát triển.







iv
SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
Chapter 1: Overview Study
This subject presents a history of UAV development, UAV classification (SUAV, MALE,
HALE, UCAV), fundamental structure of a UAV, UAV research and development
situation in USA, Europe, Asia, Vietnam. It also studies UAV’s scientific significances
and applications obviously, such as: natural science (the Earth, air pollution, ocean,
hurricane, water-cannon…), agriculture, forestry, search and rescue, environment and
natural resource monitoring. From the detailed analysis, the subject shows the necessity of
UAV research and application to urban monitoring, environment and natural resource
protection, traffic control. Then a proposal of UAV research is described.
Chapter 2: Design of KATA Airplane
Most of radio-controlled airplanes in the market are used for hobbyists. These kinds of the

planes have no or very small payload capacity. They are only designed for aerobatic
maneuvers. In the project “Research and Design of Unmanned Air Vehicle to Environment
Monitoring for Management and Protection”, the airplane needs to have payload capacity
(such as camera, thermometer, barometer…), good stability/performance and short-to-
medium range to monitor the environment. Therefore, a specific airplane design is
necessary. KATA airplane design is based on the popular airplane design rules of Roskam
and the method of estimating R/C model aerodynamics and performance (Leland M. N).
KATA airplane is made of composite. It has speed of 85km/s, span of 2.5m, total weight of
12kg, payload of 3kg, range of 6km, endurance of 45minutes, altitude of 600m, 4-cycle
engine, 2D and 3D drawings.
Analysis of Flight Stability and Control for Unmanned Air Vehicle
A process of flight stability and control analysis for KATA unmanned air vehicle is
presented. This analysis gives important information of aircraft dynamic behavior, which
is useful in the design and analysis of flight automatic control. Static stability and control
analysis shows the allowable displacement of the center gravity which is also called as
static margin, the magnitude of significant control and stability derivatives representing the
static stability and control characteristics, such as: pitch/roll/yaw stiffness, pitch/roll/yaw
damping. Dynamic stability is also analyzed to determine which dynamic mode is unstable
or slight damping. Aircraft modeling conducts nonlinear equations of motion. These
equations are frequently linearized for use in stability and control analysis by small-
disturbance theory and Taylor expansion. Then, eigenstructure technique is used to
examine the natural frequency and damping ratio of longitudinal modes and lateral modes.
This paper also study commonest problems in flight dynamics, that consists of finding the
motion when the laws of the forces are given and inverse problem, i.e. the system and the
motion are given and the law of forces have to be calculated. Short-term and long-term
response to actuator controls are studied in types of frequency response and step response.
Finding the control surface laws to achieve desired motions (turn coordination, climbing,
glide, pull-up, Dutch-roll mode elimination…) is also solved.
Chapter 3: Design of a measurement system for UAV
This subject presents a design of a measurement system (design analysis, sensor selection,

and detailed design) for UAV that consists:
- Inertial Measurement Unit (IMU) - the main component of
inertial guidance
systems
used in UAV. IMU works by sensing motion including the type, rate, and
direction of that motion, using a combination of
accelerometers and gyroscopes.
The data collected from these sensors allows a flight controller to track a UAV's
position.

v
- Airspeed measurement sensor: measures local airstream magnitude and angle with
respect to the plane.
- Altimeter sensor
- Potentiometer sensors: measure deflection angles of control surfaces
- Compass sensor: a navigational instrument for determining the direction of the
UAV relative to the earth's
magnetic poles.
Requirements:
- Provide exact and sufficient measurement signals form sensors for central process
unit.
- Meet the payload capacity of UAV
- Low cost
Chapter 4: Data Analysis & Filtering
Athough we used filter circuits, op-amp circuits in hardware of the measurement unit,
noises are only ejected from measured data in some frequencies. In order to use these
measured data effectively, they must be filtered by softwares such as: low-pass filter,
hight-pass filter and Kalman filter. Euler angles (pich, roll, and yaw) can not be measured
directly; they are estimated from data of inertial measurement unit; GPS and
magnetometer. Extended Kalman Filter is used to do that. Data filtering program is

simulated in Matlab software, verified in 3-axis rotation table experiment and flight test
data.
Chapter 5: Aircraft System Identification from Flight Test Data
It is necessary to understand dynamic behaviors of an aircraft when analyzing and
designing its flight automatic control system. Therefore, aircraft system identification is
implemented to estimate aerodynamic and control derivatives from flight test data. The
estimation uses 2 methods: equation error and maximum likelihood method. Aircraft
system identification program is written in Matlab language, and then verified in
Aerosonde UAV with its true aerodynamic & control derivatives. This subject also
presents advantages and disadvantages of each estimation method, flight test input design,
optimization Newton-Raphson method. Blockset AeroSim of Matlab is used to simulate
the program and the model of airplane with pseudo measurement noises.
Design of Optimal Inputs for Aircraft System Identification from Flight Test
Optimal inputs for aircraft (A/C) parameter estimation process are designed by using
Bellman dynamic programming. When using these optimal inputs, flight test data will be
received with richest information. So, the accuracy of estimated A/C parameters will be
improved. Cramer-Rao bound is considered as a measurement of these accuracies. A
comparison of the results with optimal inputs and conventional inputs is also presented in
two estimation methods (Equation Error Method, Maximum Likelihood Method). Another
interesting result is that one can design optimal inputs for MIMO system identification.

Chapter 6: Design of Fuzzy Logic Controller for UAV using Multi-objective GA
Fuzzy logic controllers are ability to model nonlinear relationships of the system. It has
stability robustness and performance robustness in the appearance of uncertain process
parameters, measurement noises, and environment disturbances. It is easy for code
generation. Fuzzy logic algorithms are intuitively easy to understand and allow the user to
encapsulate the experience of experts in an efficient manner. This subject presents design
of fuzzy logic controller for UAV using multi-objective genetic algorithm for fuzzy
parameter tuning.

vi
UAV tracks a given trajectory (including desired waypoints-WP) in horizontal plane by
using the latitude-longitude fuzzy controller to control the heading angle with the
assumption that altitude and speed are constant. Heading angle is normally controlled by
establishing a certain bank angle and holding that angle until the desired heading change
has been achieved. Airspeed and altitude of UAV may be sustained by PI controllers with
the control inputs including elevator and throttle. When combined, the controllers satisfy
requirements of trajectory tracking in the wind gust condition, limit of servo
magnitude/response rate, limit of outputs (bank angle, AOA, pitch angle).
Chapter 7: Design of a software for UAV ground control station (GCS)
Ground Control Station (GCS), one of the most important parts of Unmanned Aerial
Vehicle (UAV) system, is used for controlling, monitoring the operation of the UAV. The
operator, technician, can monitor in real-time aircraft’s flight data, such as its positions,
status, images, etc. In case of higher requirements, GCS can modify UAV’s mission by
sending command message through data link system. First, this subject will introduce more
detail about the role of Ground Control Station in UAV system, and requirements for
designing the software for GCS to monitor UAV status. Finally, it will present more about
design process including analysis, modeling, and implementation the software of GCS.

Chapter 8: Study of camera on environment monitoring application for UAV
Introduction to camera application in UAV. Analysis of camara selection. Estimation of
camara deployment possibility of KATA aircraft. Conclusion.

Chapter 9: Experiment on camera data transmitting & receiving between aircraft
and ground station
Introduction to camera system for monitoring in KATA aircraft. Setup of camera data
transmitting and receiving between aircraft and ground station. Some aerial photograph
obtained from camera during flight test. Conclusion.

vii
MỤC LỤC
Trang
Tóm tắt đề tài/dự án i
Mục lục vii
Danh sách các chữ viết tắt ix
Danh sách bảng x
Danh sách hình x
Bảng quyết toán xv
1. Tên đề tài/dự án:
Chủ nhiệm đề tài/dự án:
Cơ quan chủ trì:
Thời gian thực hiện:
Kinh phí được duyệt:
Kinh phí đã cấp: theo TB số: TB-SKHCN ngày /
xvi

2. Mục tiêu
xvi
3. Nội dung ………………………………………………
xvi
3.1. Nội dung thực hiện
xvii
3.2. Sản phẩm
xviii
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU, KẾT QỦA VÀ THẢ
O LUẬN

I
Chương 1: Tổng quan về đề tài 1

1. Sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học và khả
năng ứng dụng
1

2. Bài toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM 13

3. Khả năng giải quyết bài toán quan trắc môi trường của đề tài 18

4. Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài 20
II Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA
22

1. Máy bay KATA và các yêu cầ
u kỹ thuật 22

2. Qui trình thiết kế và chế tạo MB 23

3. Đặc tính ổn định và điều khiển của MB KATA 24

4. Kết quả bay thử nghiệm, các bản vẽ, bảng thông số kỹ thuật 30

Phần bổ sung 37
III Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường trên MB KATA
40

1. Các đại lượng đo lường và yêu cầu đối với hế thống đo lường 40

2. Phân tích thiết kế - lựa chọn cảm biến, sơ đố nguyên lý. 40

3. Thiết kế chi tiết 43

viii

4. Thiết kế và thi công bản mạch in 51

5. Kết luận 56
IV Chương 4: Phân tích và lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống đo
lường trên MB
57

1. Các đại lường đo lường và các phép lọc được sử dụng 57

2. Thiết kế bộ lọc Kalman – giải thuật & chương trình 58

3. Kết quả thí nghiệm trên Matlab, trên bàn xoay 3 trục 61

4. Kết quả lọc dữ liệu bay thử nghiệm – nhậ
n xét & hướn phát triển
62
V Chương 5: Nhận dạng hệ thống MB từ dữ liệu bay thử nghiệm
64

1. Vai trò của việc nhận dạng hệ thống MB 64

2. Giải thuật ước lượng các thông số ổn định và điều khiển của MB 64

3. Các kết quả mô phỏng & thực nghiệm 68

4. Nhận xét, kết luận & kiến nghị

79

Phần bổ sung 80
VI Chương 6: Thi
ết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho MB
81

1. Giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA – các yêu cầu
kỹ thuật
81

2. Các phân tích về hệ thống điều khiển bay tự động cho MB 81

3. Cấu trúc bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA 82

4. Kết quả tính toán, mô phỏng & nhận xét 85

5. Kết luận

90
VII
Chương 7: Thi
ết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất
93

1. Vai trò của trạm mặt đất đối với hoạt động của UAV 93

2. Phương pháp thiết kế phần mềm thu thập và hiển thị dữ liệu bay 94

3. Kết quả kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng 105

4. Kết luận & kiến nghị 106
VIII
Chương 8: Nghiên cứu ứ
ng dụng camera quan trắc cho UAV
107

1. Tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV 107

2. Phân tích lựa chọn camera cho UAV 109

3. Đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA 119

4. Kết luận & kiến nghị 122
IX
Chương 9: Thử nghiệm truyền tín hiệu camera giữa MB và tram

mặt đất
125

1. Hệ thống camera quan trắc trên MB KATA 125

2. Lắp đặt camera & thiết lập truyền dữ liệu hình ảnh 127

ix

3. Thử nghiệm hoạt động của hệ thống camera 128

4. Đánh giá kết quả và một số kiến nghị 131
X KẾT LUẬN
132
XI PHỤ LỤC
136

A. Khối cảm biến quán tính IMU – Bộ lọc Kalman 136

B. Một số hệ thống điều khiển bay tự động thường gặp ở MB 143

C. Các bài báo khoa học tham dự hội nghị, đăng trên tạp chí
(trang đầu)
149

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số (Analog Digital Converter)
Cov( ) Hiệp phương sai (Covariance)
CPU Đơn vị xử lí trung tâm (Central Processing Unit)
DGPS Hệ thống định vị toàn cầu cải chính sai phân (Differential Global

Positioning System)
DIS Ổn định hóa hình ảnh bằng số (Digital Image Stabilization)
DOF Trường độ camera (khoảng cho ảnh rõ nét)
EA Giải thuật tiến hóa (Evolutionary Algorithm)
EE Phương pháp sai số phương trình (Equation Error)
E( ) Kì vọng (Expectation)
FIFO Vào đầu tiên, ra đầu tiên (First In First Out)
FIR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response)
FOV Góc mở của ống kính (field of view)
GA Giải thuậ
t di truyền (Genetic Algorithm)
GCS Trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station)
GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
HĐH Hệ điều hành
IIR Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response)
IMU Khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit)
INS Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System)
ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Standards Oganization)
MB Máy bay
MBMH Máy bay mô hình
MEMS Cảm biến dạng vi cơ điện tử
ML Phương pháp Maximum Likelihood
NED Hệ trục tọa độ Bắc-Đông-H
ướng xuống dưới (North-East-Down)
NSGA Giải thuật di truyền xếp hạng không bị vượt trội
OIS Ổn định hóa hình ảnh bằng quang học (Optical Image Stabilization)
PC Máy tính cá nhân (Personal Computer)
PID Điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Differential)
PP Phương pháp
OPAMP Bộ khuếch đại thuật toán

RPV Máy bay điều khiển từ xa (Remotely Piloted Vehicle)
SWR Phương pháp hồi quy từng bước (Stepwise Regression)
(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)

x
UAV Máy bay không người lái (Unmanned Air Vehicle)
UCAV Máy bay chiến đấu không người lái (Unmanned Combat Air Vehicle)
UTC Giờ quốc tế (Coordinated Universal Time)
WP Các điểm quỹ đạo bay (Waypoint)

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Tỷ lệ các ứng dụng UAV dân sự cho các lĩnh vực 4
Bảng 1.2: Tóm tắt khả năng giải quyết các bài toán quan trắc của đề tài 0
Bảng 2.1: Yêu cầu kỹ thuật của MB KATA 22
Bảng 2.2 : Các thông số đạo hàm ổn định và điều khiển của MB KATA 24
Bảng 2.3: Các mode động lực học dọc trục 25
Bảng 2.4: Các mode động lực học ngang/hướng 25
Bảng 2.5: Các thông số cánh/thân/
đuôi của MB Kata 31
Bảng 2.6: Các thông số đạo hàm khí động lực học và kích thước hình học của MB 32
Bảng 2.7: Đặc tính của động cơ 32
Bảng 2.8: Các thông số bổ sung của MB KATA 38
Bảng 2.9: Bảng thống kê thời gian bay thử nghiệm 39
Bảng 3.1: Các loại cảm biến dùng trên máy bay KATA 42
Bảng 5.1: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 69
(tín hiệu thử xung vuông)
Bảng 5.2: Các thông số máy bay ước lượng bằ
ng 2 phương pháp 70
(tín hiệu thử tối ưu)
Bảng 5.3: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 71

(tín hiệu thử xung vuông)
Bảng 5.4: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 73
(tín hiệu điều khiển tối ưu)
Bảng 5.5: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 75
Bảng 5.6: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 76
Bảng 5.7: Các thông số máy bay ước lượng bằ
ng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 77
Bảng 5.8: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 78
Bảng 6.1: Các yêu cầu đối với giải thuật điều khiển bay tự động
Bảng 6.2: Các hàm mục tiêu được sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển mờ 80
Bảng 7.1: Định dạng giao thức 96
Bảng 8.1: Bảng giá trị diện tích quét của điểm ảnh của camera có tiêu c
ự f=3.6 mm 112
Bảng 8.2: Độ dịch chuyển của camera tương ứng với các tốc độ chụp khác nhau
Bảng 8.3: Bảng đối chiếu cường độ sáng tại các điều kiện khác nhau 116
Bảng 8.4: Ước tính các yêu cầu của hệ thống camera quan trắc đối với đề tài UAV 119
Bảng 8.5: Một số thông số thiết kế KCB liên quan đến ứng dụng quan trắc 119
Bảng 8.6: Tóm tắt một s
ố thông số đặc tính của camera Lumix DMC – LX3 120
Bảng 8.7: Khoảng cách ngắm giới hạn của camera Lumix DMC – LX3 129
Bảng 8.8: Diện tích quét và khoảng dịch chuyển tối đa cho phép của camera Lumix DMC
– LX3 trong mỗi lần chụp theo các độ cao và góc quét khác nhau 121

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn trần bay và khoảng thời gian hoạt động của các UAVs 2
Hình 1.2: Biểu đồ dự báo chi phí phát triển UAV của châu Âu đến năm 2015 3
Hình 1.3: Hình ảnh của Mini-Sniffer III 6
Hình 1.4: Hình ảnh của Altus II 6
Hình 1.5: Hình ảnh của NASA Helios 7

xi
Hình 1.6: Diện tích đất nông nghiệp sử dụng UAV 7
Hình 1.7: Hình ảnh về Yamaha RMAX phun thuốc bảo vệ thực vật 8
Hình 1.8: Ảnh khu vực suối cạn trong Khu bảo tồn Quốc gia Volcano 9
do Bat III chụp
Hình 1.9: Hình ảnh về Bat III 10
Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống của Thales ứng dụng trong quân sự 10
Hình 1.11: Ảnh chụp về một tàu bị nạn trên biển trong điều kiện mưa,
sóng trên màn hình video trực tuyế
n của hệ thống WatchKeeper 11
Hình 1.12: Một ảnh hàng không (bằng UAV) chụp với công nghệ LIDAR 11
Hình 1.13: Mô hình hệ thống quản lí giao thông 12
Hình 1.14: Hình ảnh theo dõi giao thông trên các đường cao tốc 12
Hình 1.15: Khu vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh 15
Hình 1.16: Khu vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh 16
Hình 1.17: Khu vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh 17
Hình 1.18: Một góc rừng ngập mặn Cần Giờ 17
Hình 1.19: Bản đồ huyện Cần Giờ 19
Hình 2.1: Đáp ứng tự do đối với ∆α = 5deg/s,∆
u = 0.1 26
Hình 2.2: Đáp ứng tự do đối với ∆β 26
Hình 2.3: Đáp ứng tự do đối với ∆Ф 26
Hình 2.4: Đáp ứng tự do đối với ∆p 26
Hình 2.5: Đáp ứng đối với elevator 27
Hình 2.6: Đáp ứng đối với cần ga 27
Hình 2.7: Góc rudder khi cua vòng 28
Hình 2.8: Góc aileron khi cua vòng 28
Hình 2.9: Góc elevator khi cua vòng 28
Hình 2.10: Đáp ứng của α đối với elevator 29
Hình 2.11: Đáp ứng của θ đối với elevator 29

Hình 2.12: Đáp ứng củ
a U đối với elevator 29
Hình 2.13: Đáp ứng của q đối với elevator 29
Hình 2.14: Đáp ứng của β đối với aileron 29
Hình 2.15: Đáp ứng của Φ đối với aileron 29
Hình 2.16: Đáp ứng của p đối với aileron 30
Hình 2.17: Đáp ứng của p đối với rudder 30
Hình 2.18: Đáp ứng của β đối với rudder 30
Hình 2.19: Đáp ứng của Φ đối với rudder 30
Hình 2.20: Hình chiếu bằng c
ủa MB Kata 33
Hình 2.21: Hình chiếu đứng của MB Kata 34
Hình 2.22: Hình chiếu cạnh của MB Kata 35
Hình 2.23: Kết cấu cánh chính (NACA4412) 36
Hình 2.24: Kết cấu đuôi 36
Hình 2.25: Kết cấu thân (composite rỗng, dày 2mm) 36
Hình 2.26: Máy bay KATA được chế tạo 36
Hình 2.27: MB KATA bay thử nghiệm tại khu vực Đồng Diều trên Google Earth 36
Hình 2.28: Giản đồ hệ số lực nâng – hệ số lực cản 37
Hình 2.29: Giản đồ hệ số lực cản với (Cl - Cl
min
)
2
37
Hình 2.30: Giản đồ lựa chọn chế độ bay tối ưu (L/D = max) 37
Hình 2.31: Giản đồ cần ga – lực đẩy ở chế độ bay 85km/h 38
Hình 2.32: Bản vẽ 3D của MB KATA 38
Hình 3.1: AP50 autopilot board 40
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống AP50 41

xii
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống 41
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thóng cảm biến của máy bay KATA 44
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc góc 45
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc 46
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gió 47
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo độ cao 47
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo góc bề mặ
t điều khiển 48
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý cảm biến la bàn 49
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo tín hiệu điều khiển từ xa 50
Hình 3.12: tín hiệu cần đo từ bộ điều khiển bằng tay 50
Hình 3.13: bản mạch in hệ thống cảm biến 51
Hình 3.14: bản mạch in sau khi thi công (top view) 51
Hình 3.15: bản mạch in sau khi thi công (ISO-view) 52
Hình 3.16: Sơ đồ tổng thể hệ thống cảm bi
ến 53
Hình 3.17: Sơ đồ bản mạch in 56
Hình 4.1: Sơ đồ thực hiện thuật toán Kalman 58
Hình 4.2: Mô hình thực hiện thuật toán ước lượng 3 góc trạng thái 59
Hình 4.3: Dữ liệu đo sau khi lọc Kalman (xanh dương: đo được, đỏ: lọc Kalman) 61
Hình 4.4: Bàn xoay 3 trục để thí nghiệm 3 góc trạng thái của MB 61
(Pitch-Roll-Yaw)
Hình 4.5: Kết quả thử nghiệm trên bàn xoay 3 trục 62
Hình 4.6: Quỹ đạo bay thử nghiệm tại khu Đồng Diều – Bình Chánh – Tp.HCM 62
Hình 4.7:
3 góc Roll/Pitch/Yaw 63
Hình 5.1: Sơ đồ nhận dạng hệ thống máy bay 64
Hình 5.2: Tín hiệu điều khiển của rudder, aileron và đáp ứng của MB, 68
không có gió giật

Hình 5.3: Hàm mật độ phổ của rudder và aileron dùng trong bay thử nghiệm 69
Hình 5.4: Tín hiệu điều khiển tối ưu và đáp ứng của MB, không có gió giật 70
Hình 5.5: Tín hiệu điều khiển xung vuông và đáp ứng của MB,
có gió giật 30km/h 71
Hình 5.6: Tín hiệu ngõ ra đo được và ngõ ra ước l
ượng (stdv = 10%) – PP ML 72
Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển tối ưu và đáp ứng của MB, có gió giật 30km/h 72
Hình 5.8: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra
của MB đo được 74
Hình 5.9 : Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra
của MB đo được 75
Hình 5.10: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra
của MB đo được 76
Hình 5.11: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằ
ng PP ML với ngõ ra
của MB đo được 77
Hình 5.12: Ngõ ra của mô hình với ngõ ra của MB đo được 78
Hình 6.1: Sơ đố khối hệ thống điều khiển bay tự động của UAV 82
Hình 6.2: Hiệu chỉnh đường bay 82
Hình 6.3:Điều chỉnh góc hướng của MB thông qua góc bank 83
Hình 6.4: Các hàm thuộc của các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển mờ 83
Hình 6.5: Điều chỉnh vận tốc và độ cao của MB b
ằng elevator và cần ga 83
Hình 6.6: Cấu trúc của một nhiễm sắc thể 84
Hình 6.7: Mặt tối ưu Pareto cho bài toán tối ưu 2 mục tiêu f
1
, f
2
84
Hình 6.8: Sơ đồ quá trình chỉnh định tối ưu các thông số của bộ điều khiển mờ

Hình 6.9: Mặt điều khiển mờ 85

xiii
Hình 6.10: Hàm thuộc của tín hiệu vào 2 85
Hình 6.11: Hàm thuộc của tín hiệu vào 1 86
Hình 6.12: Hàm thuộc tín hiệu ra (bank) 86
Hình 6.13: Quỹ đạo bay dùng để mô phỏng 86
Hình 6.14: Quỹ đạo bay của MB khi không có gió 86
Hình 6.15: Góc nghiêng của MB – Bank angle 86
Hình 6.16: Góc điều khiển Aileron 87
Hình 6.17: Góc nghiêng & góc aileron của MB tại điểm quỹ đạo số 2 87
Hình 6.18: Độ cao của MB (trung bình là 200m) 87
Hình 6.19: Góc điều khiển elevator 87
Hình 6.20: Vận tốc của MB (trung bình là 24.5m/s) 88
Hình 6.21: Mức điều khiể
n cần ga (trung bình là 70%) 88
Hình 6.22: Quỹ đạo bay của MB khi có gió với vận tốc gió trung bình là 30km/h 88
Hình 6.23: Góc nghiêng của MB – Bank angle 88
Hình 6.24: Góc điều khiển Aileron 89
Hình 6.25: Góc aileron & góc nghiêng của MB tại điểm quỹ đạo số 2 89
Hình 6.26: Độ cao của MB (trung bình là 200m) 89
Hình 6.27: Góc điều khiển Elevator 89
Hình 6.28: Vận tốc của MB (trung bình là 24.5m/s) 89
Hình 6.29: Mức điều khiển cần ga (trung bình là 75%, trường hợp có gió 30km/h) 90
Hình 6.30: Cần ga & vận tốc của MB tại điểm quỹ đạ
o số 5 90
Hình 6.31: Lượn vòng quanh một điểm 90
Hình 6.32: Quỹ đạo bay hình số 8 90
Hình 6.33: Quỹ đạo bay ZIG-ZAG 90
Hình 6.34: Quỹ đạo bay hình răng lược 90

Hình 6.35: Sơ đồ hệ thống điều khiển bay tự động cho MB KATA 92
trên Matlab/AeroSim
Hình 7.1: Sơ đồ hệ thống khí cụ bay tự động 93
Hình 7.2: Trạm mặt đất quân sự 94
Hình 7.3: Trạm mặt đất dân sự 94
Hình 7.4: Sơ đồ minh họa h
ệ thống phần cứng của trạm mặt đất 96
Hình 7.5: Sơ đồ Use-case của hệ thống trạm mặt đất 96
Hình 7.6: Cổng RS232 của máy tính 96
Hình 7.7: Mô hình FIFO bộ đệm của RS232 96
Hình 7.8: Cấu trúc các thành phần trong chương trình thu thập dữ liệu từ RS232 97
Hình 7.9: Mô hình trạng thái ứng xử của các thành phần 98
Hình 7.10: Các thiết bị hiển thị của buồng lái các loại máy bay 99
Hình 7.11: Cấu trúc các thành phần trong chương trình hi
ển thị dữ liệu bay 99
Hình 7.12: Giản đồ tuần tự mô tả việc cập nhật dữ liệu của các thành phần giao diện 100
Hình 7.13: Giao diện phần mềm trạm mặt đất do nhóm nghiên cứu thiết kế 100
Hình 7.14: Minh hoạ các góc nghiêng khi chuyển động của KCB 101
Hình 7.15: Đồng hồ góc nghiêng của máy bay Cessna 101
Hình 7.16: Giao diện đồng hồ góc nghiêng của nhóm nghiên cứu thiết kế 101
Hình 7.17: Đồng hồ vận tốc gió của máy bay th
ực và của thiết kế (v = 50m/s) 102
Hình 7.18: Đồng hồ cao độ của máy bay thực và của thiết kế (h = 540m) 102
Hình 7.19: Đồng hồ la bàn của máy bay thực và của thiết kế (course = 60
o
) 102
Hình 7.20: Bản đồ định vị của máy bay thực 103
Hình 7.21: Minh họa các lớp của bản đồ định vị 103
Hình 7.22: Bản đồ dạng hình ảnh với các tọa độ gốc đã xác định 103
Hình 7.23: Minh họa quỹ đạo đường bay thiết kế 104

xiv
Hình 7.24: Trạng thái và quỹ đạo bay thực tế 104
Hình 7.25: Kết quả cuối cùng của thiết kế bản đồ định vị 104
Hình 7.26: Quá trình truyền dữ liệu, giao tiếp máy tính và xử lý hiển thị của hệ thống 106
Hình 8.1: Sơ đồ các thành phần hệ thống khí cụ bay tự động 107
Hình 8.2: Mối quan hệ giữa lựa chọn camera và thiết kế hệ thống UAV 107
Hình 8.3: Mức độ yêu c
ầu về chất lượng hình ảnh đối với các loại ứng dụng 108
Hình 8.4: Một số loại camera phổ biến cho việc quan trắc trên thị trường 108
Hình 8.5: Một số thiết bị truyền nhận không dây tín hiệu video 109
Hình 8.6: Các yêu cầu đối với UAV cho hoạt động của camera quan trắc 109
Hình 8.7: Mối quan hệ giữa các đặc tính của camera và hệ thống UAV 110
Hình 8.8: Các thông số đặc tính quang học cơ bản c
ủa camera 111
Hình 8.9: Chất lượng hình ảnh tương ứng với các độ phân giải khác nhau 112
Hình 8.10: Đồ thị diện tích quét của điểm ảnh của camera có tiêu cự f=3.6 mm 112
Hình 8.11: Diện tích quét của các camera khác độ phân giải ở độ cao 500m 113
Hình 8.12: Chất lượng hình ảnh tương ứng với các tốc độ chụp ảnh khác nhau 113
Hình 8.13: Chất lượng hình ảnh tương ứng với thời gian phơi sáng khác nhau 113
Hình 8.14: Minh họa điề
u chỉnh khẩu độ và thời gian phơi sáng của camera 114
Hình 8.15: Đồ thị độ dịch chuyển camera theo thang đo logarit ở các tốc độ khác nhau
116
Hình 8.16: Minh họa 2 phương pháp chống rung hình ảnh Optical và Digital 117
Hình 8.17: Một số loại camera sử dụng công nghệ OIS và DIS 117
Hình 8.18: Một số loại giá treo camera chống rung 117
Hình 8.19: Sơ đồ giao tiếp truyền nhận dữ liệu từ UAV về trạm mặt đất 118
Hình 8.20: Đồ thị di
ện tích quan trắc của UAV dùng camera Lumix DMC – LX3

ở vận tốc 60km/h trong 45 phút 121
Hình 9.1: Sơ đồ hệ thống camera quan trắc đang được sử dụng cho MB KATA 125
Hình 9.2: Video receiver (trái) và camera tích hợp video transmitter (phải) 126
thuộc hệ thống camera không dây LYD203C
Hình 9.3: Sơ đồ cấu tạo chức năng của thiết bị thu (hình trên) 127
Và sơ đồ lắp đặt hệ thống camera (hình dưới)
Hình 9.4: Hình chụp vị trí lắp đặt camera không dây trên máy bay KATA 127
Hình 9.5: Bản đồ khu vực thử nghi
ệm quan trắc trích từ Google Earth 128
Hình 9.6: Kết quả video thu được từ camera trong qua trình bay thử nghiệm 130
Hình 9.7: Hình ảnh thu được trong bước đầu thử nghiệm hệ thống camera quan trắc
131
Hình 9.8: Hình ảnh mong muốn đạt được của quá trình phát triển đề tài nghiên cứu
131














xv
QUYẾT TOÁN KINH PHÍ

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục
vụ quản lý và bảo vệ môi trường
Chủ nhiệm: HUỲNH VĂN KIỂM
Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Thời gian đăng ký trong hợp đồng: 11/2007 - 11/2008
Tổng kinh phí được duyệt: 385 triệu đồng
Kinh phí cấp giai đoạn 1: 250tr (Theo thông báo số: 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)
Kinh phí cấp giai đoạn 2: 135tr (Theo thông báo số: 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)

TT Nội dung Kinh phí Trong đó
Ngân sách Nguồn
khác

I

Kinh phí được cấp 385 x

II Kinh phí quyết toán 385 x
1. Công chất xám
2. Công thuê khoán 154.5 x
3. Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ,
phụ tùng, văn phòng phẩm
55.7 x
4. Thiết bị 100.3 x
5. Chi khác 74.5 x
III Tiết kiệm 5%

xvi
Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản
lý và bảo vệ môi trường
Chủ nhiệm đề tài: HUỲNH VĂN KIỂM
Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Thời gian thực hiện đề tài: 11/2007 - 11/2008

Kinh phí được duyệt: 385 triệu đồng
Kinh phí đã cấp: 385tr theo TB số : 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)
Mục tiêu: Đề tài được thiết lập nhằm nghiên c
ứu ứng dụng khí cụ bay tự động, mang được
các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo lộ trình lập sẵn
phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên.
Nội dung nghiên cứu: (Theo đề cương đã duyệt)
Những nội dung thực hiện

TT
Các nội dung, công việc
chủ yếu cần được thực hiện


Đã thực hiện
1 Nghiên cứu tổng quan Đã thực hiện
2 Thiết kế, chế tạo MBMH Đã thực hiện
3
Thiết kế mạch cảm biến đo các thông số trạng thái
máy bay
Đã thực hiện
4
Phân tích hệ thống điều khiển tự động, các yêu cầu
bay tự động
Đã thực hiện
5
Lập trình mạch thu thập dữ liệu cho máy bay trên vi
điều khiển ARM2138
Đã thực hiện
6 Thí nghiệm khí động lực học MB Bỏ qua

7 Thí nghiệm động cơ lực đẩy Bỏ qua
8
Xây dựng chương trình tính ngược các thông số ổn
định và điều khiển của MB
Đã thực hiện
9 Thiết kế mạch điện điều khiển Đã thực hiện
10 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính ngược Đã thực hiện
11 Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị điện tử Đã thực hiện
12
Xây dựng giải thuật, chương trình điều khiển tự
động cho MB bằng phần mềm MATLAB
Đã thực hiện
13 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình điều khiển Đã thực hiện
14
Kiểm tra giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm
dưới đất (ground test)
Đã thực hiện
15
Kiểm tra hệ thống điều khiển tự động khi bay
(ground test), hiệu chỉnh hệ thống
Đã thực hiện
16
Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh
giám sát môi trường.
Đã thực hiện
17 Kiểm tra, đánh giá toàn bộ HT điều khiển tự động Đã thực hiện
18 Viết báo cáo tổng thuật đề tài Đã thực hiện

xvii
Sản phẩm

TT Công việc thực hiện Sản phẩm
1 Nghiên cứu tổng quan Báo cáo
2 Thiết kế, chế tạo MBMH MBMH
3
Thiết kế mạch cảm biến đo các thông số trạng thái
máy bay
Mạch cảm biến đo: vận
tốc, gia tốc, góc nghiêng…
4
Phân tích hệ thống điều khiển tự động, các yêu cầu
bay tự động
Báo cáo
5
Lập trình mạch thu thập dữ liệu cho máy bay trên vi
điều khiển ARM2138
Mạch thu dữ liệu
6 Thí nghiệm khí động lực học MB Kết quả thí nghiệm
7
Xây dựng chương trình tính ngược các thông số ổn
định và điều khiển của MB
Chương trình tính
8 Thiết kế mạch điện điều khiển
Hệ thống điều khiển tự

động
9 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính ngược Các thông số của MB
10 Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị điện tử Số liệu
11
Xây dựng giải thuật, chương trình điều khiển tự
động cho MB bằng phần mềm MATLAB
Chương trình điều khiển
12 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình điều khiển Kết quả mô phỏng
13
Kiểm tra giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm
dưới đất (ground test)
Số liệu
14
Kiểm tra hệ thống điều khiển tự động khi bay
(ground test), hiệu chỉnh hệ thống
Số liệu
15
Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh
giám sát môi trường.
Hệ thống chụp ảnh giám
sát môi trường
16 Kiểm tra, đánh giá toàn bộ HT điều khiển tự động Máy bay
17 Viết báo cáo tổng thuật đề tài Bài báo cáo






CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

I. Sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng
1. UAV (Uninhabited Aerial Vehicles)
Phương tiện bay không người lái còn có tên là Remotely Piloted Vehicle (RPV);
Automated/Autonomous Air Vehicle (AAV) hay Automated/Autonomous Air System (AAS)
đã được phát minh và phát triển từ những năm 1900 của Thế kỷ XX. Vào năm 1916,
Lawrence and Elmer Sperry (Hoa Kỳ) đã kết hợp các thiết bị giữ thăng bằng và thiết bị lái vào
trong hệ thống lái tự động mà họ đặt tên là “Air Torpedo”. Chiếc máy bay lắp đặt hệ th
ống
này đã bay tự động chở Lawrence Sperry trong khoảng cách 30 miles. Từ thời điểm đó đến
nay, UAV đã được nhiều tổ chức khoa học, quân sự (Hoa Kỳ, Israel, Tây Âu, Liên Xô cũ)
nghiên cứu phát triển với nhiều mục đích, trong đó để phục vụ cho quân sự chiếm đa số. Cuộc
chiến tranh Việt Nam và giai đoạn chiến tranh Lạnh với sự hoạt động của UAV Firebee,
Lightning Bug (do Hoa Kỳ phát tri
ển) là một trong những mốc phát triển của UAV dùng cho
mục đích quân sự. Sau các sự kiện trên, sự phát triển UAV chìm lắng và chỉ phục hồi và phát
triển nhanh và mạnh mẽ kể từ khi có cuộc chiến tranh Irac lần thứ nhất, chiến tranh chống
khủng bố của Hoa Kỳ tại Apganixtan. Sự lớn mạnh của công nghệ điều khiển, truyền tin, viễn
thám là các động lực quan trọng để cho các dự
án UAV phát triển nhanh và mở rộng lĩnh vực
ứng dụng trong thời gian gần đây. Theo tính năng, có thể chia các UAV ra các nhóm chính
sau:
- UAV có tầm bay ngắn và trung bình – SUAVs (Short- to medium-range);
- UAV có trần bay trung bình, thời gian bay kéo dài – MALE (Medium Altitude Long
Endurance);
- UAV có trần bay cao, thời gian bay kéo dài - HALE (High Altitude Long Endurance);
- UAV chiến đấu - UCAVs (Unmanned Combat Aerial Vehicles);
Nhóm SUAVs có kích thước khoảng vài mét, tải trọng vài kg và tầm bay một vài km. Nhóm
UAVs này được thiết kế và ứng dụng trong phạm vi nhỏ hẹp, không cần hạ tầng phức tạp, chỉ
một vài ng

ười điều khiển. Các ứng dụng cụ thể như quan sát giao thông, đường bờ biển, kênh
rạch, hạ tầng đô thị Trị giá một hệ thống SUAVs bao gồm UAV, hệ thống điều khiển mặt
đất, các hệ thống phụ trợ có giá thành khoảng 100.000 USD.
Nhóm MALE và HALE có trần bay tới 100.000 ft (ở tầng khí quyển bình lưu), thời gian hoạt
động kéo dài từ vài tuần tới 1 tháng. Nhóm các UAV này sử dụng nguồn
điện là pin mặt trời
Ứng dụng trong truyền thông, khảo sát khoa học khí quyển, quan trắc rừng, cháy rừng Các
dự án phát triển MALE, HALE có giá trị từ 10 – 100 triệu USD.
Nhóm UCAVs được chia thành 4 nhóm nhỏ là: MAVs (Micro-Aerial Vehicles) có kích thước,
trong lượng rất nhỏ phục vụ trinh sát cá nhân; LASVs (Local Area Support Vehicles) có mục
đích trinh sát trận địa, được gắn trên các phương tiện vận chuyển quân sự, có gắn camera hồng
ngoại ; TASVs (Tactical Area Support Vehicles) có tải trọng lên đến 1.500 kg, tầm bay 300
km mang được vũ khí tấn công. Đ
iều khiển, bảo trì TASVs là một đội bay và thợ máy mặt
đất; TAVs (Theater Area Vehicles) có tải trọng đến 15.000 kg và kích thước ngang bằng một
chiến đấu cơ phản lực, có thể cất cánh từ sân bay hay tàu sân bay.
1
Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn trần bay và khoảng thời gian hoạt động của các UAVs
(Nguồn:Val Noronha, Martin Herold - University of California, Santa Barbara, 2003)

Về kỹ thuật, các UAV thông thường sẽ có các cấu phần sau:
− Bộ phận điều khiển chính – điều khiển mặt đất (Ground-station)
− Bộ phận truyền tin (Data communication)
− Bộ phận điều khiển UAVs (điều khiển vận hành và các sensor cảm biến)

Sơ đồ bố trí các thành phần như sau:

Bộ phận
điều
khiển,

cảm biến
trên UAV

Bộ phận
truyền dữ
li
ệ
u
Bộ phận điều
khiển mặt
đất





− Bộ phận điều khiển mặt đất: bao gồm máy tính chủ (Host PC) với chương trình phần
mềm có chức năng xử lý dữ liệu từ UAV (Target PC) qua thiết bị Data communication. Host
PC phân tích dữ liệu, xác định tình trạng UAV, đưa ra các lênh điều khiển bay theo chương
trình định sẵn hay phản ứng lại với các tình trạng của UAV. Sử dụng các thuật toán điều khiển
kết hợp các thuật toán máy học
để đưa ra các quyết định điều khiển. Mức độ thông minh của
hệ thống phụ thuộc vào chủ đích thiết kế.
− Bộ phận Data communication (truyền dữ liệu): sử dụng các giải pháp sóng vô tuyến
cho tầm xa, giải pháp wireless cho khoảng cách nhỏ. Bao gồm cả truyền-nhận tín hiệu điều
khiển UAV, tín hiệu cảm biến, tín hiệu của các thiết bị video, digital cúa các thiết bị chuyên
2
ngành gắn trên UAV. Tầm hoạt động của UAV cũng phụ thuộc vào tầm xa của bộ phận
truyền-nhận tín hiệu. Hiện tại, giải pháp sử dụng vệ tinh truyền-nhận tín hiệu đang được
nghiên cứu áp dụng cho nhóm MALE, HALE và đặc biệt là UCAVs.

− Bộ phận điều khiển, cảm biến trên UAV: Bao gồm khá nhiều các nhóm thiết bị như: hệ
thống điều khiển trong không gian 3 chiều với 6 bậc tự do; các động cơ server điều khiển;
động cơ chính; máy tính chính trên UAV (Target PC), nhóm các thiết bị định vị/dẫn đường:
GPS/GNSS & DGPS/GPS và INS; hệ thống video và các thiết bị chuyên ngành gắn trên
UAV.
Trong một báo cáo về thị trường dân sự - quân sự cho các thiết bị UAV toàn cầ
u vào năm
2003 cho thấy: tổng chi phí cho phát triển và mua sắm UAV cho các mục đích đã lên đến 2,3
tỷ USD, trong đó Hoa Kỳ chiếm 73% tổng chi phí. Theo các dự báo, thị trường UAVs sẽ đạt
đến 4,5 tỷ USD vào năm 2015. Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực UAV của Hoa Kỳ:
− Lockheed Martin
− Aurora Flight Scien
− General Atomics
− Northrop Grumman
− AeroVironment
− Boeing
Riêng với châu Âu, nhu cầu sử dụng UAV cho các mục đích dân sự ngày càng tăng, tổng chi
tiêu cho phát triển, mua sắm UAV dân sự được dự báo có thể lên đến 1 tỷ Euro vào giai đoạn
đầu của Thế kỷ XXI, riêng giai đoạn từ năm 2006 đến năm 2015 mức chi tiêu đạt từ 10 triệu
Euro (trong năm 2006) lên đến 270 triệu Euro vào năm 2015. Các công ty châu Âu giữ vai trò
quan trọng trong các dự án UAV bao gồm:
− Elbit
− Sagem SA
− European Aeronautic Defense and Space Company
− Dassault Aviation
− BAE

Hình 1.2: Biểu đồ dự báo chi phí phát triển UAV của châu Âu đến năm 2015
(Nguồn: Mark Okrent, Israel Aircraft Ind, 2006)
3

Bảng 1.1: Tỷ lệ các ứng dụng UAV dân sự cho các lĩnh vực như sau:
STT Lĩnh vực dân sự Tỷ lệ ứng dụng (%)
1 Truyền tải điện 5
2 Đường ống dẫn dầu 6
3 Truyền thong 13
4 Quản lý rừng - phòng chống cháy rừng 12
5 Quản lý biên giới 11
6 Quản lý ven biển - đường bờ biển 13
7 Quan trắc khoa học Trái đất 37
8 Quản lý hành chính - an ninh 3
(Nguồn: Mark Okrent, Israel Aircraft Ind, 2006)
Trung Hoa, Pakistan, Ấn Độ và đặc biệt là Israel cũng là những quốc gia có các dự án phát
triển UAV khá nổi tiếng, tuy nhiên tập trung vào nhóm UCAV và phục vụ cho các cuộc chiến
cục bộ địa phương, biên giới. Về Việt Nam, vấn đề UAV được biết đến từ lâu (cuộc chiến
tranh bắn phá Bắc Việt Nam với UAV trinh sát có tên là FireBee của Không lực Hoa Kỳ), một
số UAV FireBee của Hoa Kỳ đã bị bắn rơi trong thờ
i gian này và theo một số đánh giá thì hiệu
quả của các FireBee không cao, dẫn đến sự thiếu quan tâm phát triển UAV của Hoa Kỳ trong
thời gian sau đó.
2. Tình hình nghiên cứu UAV trong nước
Trong thời gian gần đây, các đơn vị quốc phòng Việt Nam đã có một số nghiên cứu phát triển
UAV nhưng chỉ đạt mục đích làm mục tiêu di động cho pháo phòng không, tên lửa bắn tập. Số
lượng các sản phẩm không nhiều. Các thông tin về phát triển UAV của các
đơn vị quốc phòng
Việt Nam đều không được thông tin rộng rãi. Ở Việt Nam, ứng dụng UAV vào công tác bảo
vệ môi trường-tài nguyên có được nhắc đến trong một số hội thảo chuyên ngành môi
trường/sinh thái tuy nhiên đó chỉ là giới thiệu các hoạt động của các dự án ở nước ngoài. Bên
cạnh đó, có một số ít cá nhân tại Tp.HCM sử dụng máy bay mô hình có gắn camera thông
thường để chụp không ảnh quang cảnh đô thị, thiên nhiên cho mục
đích tạo một bộ sưu tập

ảnh nghệ thuật (đây chỉ là thú vui-giải trí). Hiện tại, chưa có cơ quan khoa học/quản lý nào
thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này.
Tính kế thừa của dự án
Theo đó, việc dự án có thể học hỏi, kế thừa được từ các cuộc nghiên cứu trong nước (chủ yếu
từ các đơn vị quốc phòng) hoàn toàn hạn chế
do công nghệ này thuộc lĩnh vực quân sự. Hiện
nay, dự án được thực hiện phần lớn do sự tự nghiên cứu cùng với việc học hỏi từ các tài liệu
cơ bản của nước ngoài rồi phát triển vì hiện nay các công nghệ làm UAV trên thế giới vẫn
chưa được công bố chi tiết.
3. Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng của UAV
Việc nghiên cứu UAV góp phần tạo nên nền tả
ng trong việc nghiên cứu và phát triển UAV
phục vụ cho mục đích dân sự. Việc này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc hỗ trợ con người
quản lý ở nhiều lĩnh vực và đặc biệt bảo vệ chính con người (do có thể làm thay con người
trong một số trương hợp nguy hiểm). Ngoài ra, việc nghiên cứu này cũng góp phần khẳng
định khả năng nghiên cứu công nghệ cao tại môi trường Đại học, qua đó tạ
o thêm niềm tin và
động lực thúc đẩy việc nghiên cứu UAV cho các sinh viên thệ hệ kế tiếp.
4
Việc nghiên cứu thành công UAV không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ
tài nguyên, môi trường như đã nêu ở phần trên mà còn được mở rộng trong nhiều lĩnh vực
khác nếu được đầu tư thêm lâu dài và đúng mức. Sau đây là một số ứng dụng của UAV trong
nhiều lĩnh vực trên thế giới:
• Ứng dụng UAV trong khoa học
Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học , đặc bi
ệt là khoa học Trái đất giữ một vai trò quan trọng
trong các ứng dụng dân sự của UAV. Các lĩnh vực nghiên cứu có nhu cầu sử dụng UAV ở
mức cao (do tiết kiệm chi phí, an toàn, khả năng quan trắc/hoạt động kéo dài, áp dụng ở các
khu vực khó tiếp cận ) như các lĩnh vực khoa học sau:
− Nghiên cứu ozone tại khí quyển tầng cao (tầng bình lưu);

− Nghiên cứu mây và aerosol;
− Nghiên cứu ô nhiễm không khí tại tầng khí quyển sát mặt đất (Tropospheric);
− Nghiên cứu về bốc hơi nước, quan trắc lượng nước trong khí quyển;
− Quan trắc khoa học vùng ven biển;
− Quan trắc cháy, lan truyền ô nhiễm;
− Quan trắc tỷ lệ oxy, carbonic trong khí quyển;
− Cấu trúc, phân bố, sự che phủ thực vật;
− Nghiên cứu mây, aerosol và mưa;
− Nghiên cứu sông băng, biển băng;
− Tia điện từ, sự phân bố theo chiều cao trong khí quyển
− Độ dày của băng tại các cực;
− Ảnh quang phổ;
− Bản đồ địa hình, sự thay đổi với công nghệ viễn thám LIDAR;
− Nghiên cứu gia tốc trọng trường;
− Khảo sát Bắc cực;
− Khảo sát trường từ;
− Khảo sát đặc tính mây;
− Khảo sát dòng chảy sông;
− Khảo sát tuyết tan chảy;
− Khảo sát đất đóng băng;
− Khảo sát vi vật lý các đám mây;
− Khảo sát thời tiết;
− Nghiên cứu về hình thành bão, lốc, sét, vòi rồng;
− Nghiên cứu vật lý biển, tương tác biển-khí quyển;
Tùy theo các ứng dụng mà các nhóm UAV được sử dụng như những nghiên cứu khí quyển
tầng cao thì sử dụng các UAV nhóm MALE/HALE; nghiên cứu dòng chảy sông thì có thể sử
dụng các UAV thuộc nhóm SUAVs. Một số dự án phát triển UAV cho nghiên cứu khoa học
Trái đất như sau:

5
- Chương trình NASA Mini-Sniffer
Mục tiêu của Chương trình là xây dựng hệ thống lấy mẫu không khí liên tục ở độ cao 70.000
ft (20 km) dựa trên một UAV thuộc nhóm HALE. UAV Mini-Sniffer đầu tiên được thiết kế có
sải cánh 5,5 m, động cơ piston dùng gaseline và được mở rộng ra các phiên bản II, III với sải
cánh lên đến 6,7 m, sử dụng nhiên liệu hydrazine hoặc (NH
2
)
2.
Tuy nhiên dự án đã không đạt
được mục đích, Mini-Sniffer III chỉ lên đến được độ cao 6,1 km. Do vậy NASA đã kết thúc dự
án.
Hình 1.3: Hình ảnh của Mini-Sniffer III (Nguồn:
)
− Dự án NASA Atomics ERAST UAV (Altus)
UAV Altus có sải cánh 16,9 m, trọng lượng cất cánh là 725 kg, tải trọng là 150 kg, thời gian
bay liên tục 24 giờ, trần bay 13,7 km. Sự thành công của dự án là niềm tự hào của NASA về
phát triển UAV. Sau dự án, NASA đã ký hợp đồng với General Atomics để phát triển tiếp các
dự án về Predator B (một loại UCAV nổi tiếng của Hoa Kỳ).

Hình 1.4: Hình ảnh của Altus II (Nguồn:
)

− Dự án PathFinder & Helios/ Long Endurance UAV
UAV PathFinder có sải cánh 37 m, 2 động cơ điện và 10 cánh quạt, trọng lượng 315 kg, sử
dụng năng lượng pin mặt trời. PathFinder đã phá kỷ lục thế giới về độ cao là 21,65 km vào

năm 1997. Vào năm 1998, PathFinder đã đạt độ cao 30.5 km. PathFinder/Helios hiện vẫn
6
được phát triển và tương lại sẽ được dùng để khảo sát các hiện tượng khí quyển tầng cao (điện
từ, ozone )
Hình 1.5: Hình ảnh của NASA Helios (Nguồn:
)
• Ứng dụng UAV trong nông - lâm nghiệp
Trong nông nghiệp, các UAV được sử dụng đề quản lý đất nông nghiệp-lâm nghiệp, quản lý
mùa vụ, quản lý mặt nước nuôi trồng thủy sản, phụn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón lá, quản
lý cây công nghiệp chống cháy rừng (quản lý các vùng có nguy cơ cháy rừng cao, ứng cứu
sự cố cháy rừng, đánh giá hậu quả cháy rừng, thông tin liên lạc trong xử lý sự cố cháy rừng ),
bảo vệ chống khai thác trái phép gỗ lâm nghiệp
Trong lĩnh vực này UAV Yamaha RMAX của Nhật Bản đã có nhiều thành công trong thực
tiễn hoạt động. Yamaha RMAX là UAV trực thăng, được phát triển, ứng dụng từ năm 1983.
Yamaha RMAX có tải trọng 30 kg, thời gian bay 90 phút, bán kính hoạt động 10 km, có khả
năng làm nhiệm vụ khảo sát sử dụng đất, đánh giá độ chín của đồng lúa và các công việc đồng
áng khác. Số lượng UAV Yamaha RMAX được bán ra cũng như
diện tích đất nông nghiệp sử
dụng UAV ngày càng tăng. Cụ thể như biểu đồ sau:

Hình 1.6: Diện tích đất nông nghiệp sử dụng UAV
7