luận văn tự dộng hóa máy bay tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MÁY BAY TỰ ĐỘNG

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Duy Khánh
MSSV: 1101006
Lê Văn Tươi
MSSV: 1101075

Cán bộ hướng dẫn
TS, GV Lương Vinh Quốc Danh

Cần Thơ, 05-2014


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014
CÁN BỘ PHẢN BIỆN

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014
CÁN BỘ PHẢN BIỆN

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 3

Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CAM ĐOAN
Máy bay tự động với khả năng mang theo camera và bay theo quỹ đạo định
trước là một hệ thống được ứng dụng nhiều trong những năm gần đây. Tuy nhiên,
đây vẫn là đề tài khá mới mẻ ở Việt Nam, nhóm thực hiện nhận thấy đây là một đề
tài có tính thực tiễn cao, có thể ứng dụng vào nhiều mục đích nên quyết định
nghiên cứu xây dựng một hệ thống máy bay tự động cơ bản. Hệ thống có khả năng
tự hành trên không trung, quan sát được quĩ đạo chuyển động của máy bay và có
thể chụp ảnh trong quá trình hoạt động.
Nhóm thực hiện đề tài xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong
quyển báo cáo luận văn này không phải là bản sao chép từ bất kì công trình nào đã
có trước đó. Nếu không đúng sự thật, nhóm thực hiện đề tài xin chịu mọi trách
nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày ….. tháng 05 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Lê Văn Tươi

Nguyễn Duy Khánh

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lương Vinh
Quốc Danh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉnh sửa những sai sót để chúng em
có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp. Bên cạnh đó, chúng em xin gởi lời
cảm ơn đến quý thầy cô trong Bộ môn Điện tử viễn thông đã tận tình giảng dạy và
tạo điều kiện thuận lợi để chúng em thực hiện đề tài.
Nhóm thực hiện xin gửi lời cám ơn đến anh Trần Thanh Duy, thành viên
câu lạc bộ RC Cần Thơ đã hỗ trợ nhóm hoàn thành mô hình máy bay và hướng dẫn
kĩ thuật điều khiển máy bay.
Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Đoàn Phương Bình đã giúp đỡ nhóm
hoàn thiện phần mềm điều khiển hệ thống trên vi điều khiển MSP430
Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Tống Tấn Hiếu đã hỗ trợ nhóm trong
việc xây dựng phần mềm hiển thị bản đồ số.
Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Đặng Vũ Minh Dũng đã có những góp
ý giúp nhóm hoàn thiện đề tài.
Cuối cùng chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ, lo
lắng về vật chất và tinh thần. Xin gửi lời cám ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động
viên nhóm trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này.

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

MỤC LỤC

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .........................................................................................8
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.............................................................12
1.1

Đặt vấn đề ..................................................................................................12

1.2

Lịch sử giải quyết vấn đề ...........................................................................13

1.3

Phạm vi đề tài .............................................................................................13

1.4

Phương pháp thưc hiện ..............................................................................13

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................15

2.1

Sơ lược về mô hình khí động học ..............................................................15

2.2

Hệ thống định vị gps ..................................................................................15

2.3

Cảm biến gia tốc ........................................................................................21

2.4

Con quay hồi chuyển .................................................................................23

2.5

Bộ lọc kalman ............................................................................................23

CHƯƠNG 3:
3.1

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................27

Máy bay mô hình sky surfer ......................................................................27

3.1.1

Các phụ kiện của Sky surfer................................................................27

3.1.2

Nguyên lý hoạt động-điều khiển máy bay ..........................................31

3.2

Giới thiệu các module ................................................................................33

3.2.1

Module GPS u-blox neo 6M ...............................................................33

3.2.2

Module cảm biến gia tốc MPU6050 ...................................................38

3.2.3

Module RF HM-TRP-433MHz ...........................................................44

3.2.4

Vi điều khiển MSP430F5418A, MSP430G2553 ................................49

3.2.5

TUSB3410 ...........................................................................................50

3.2.6

Module Raspberry và Raspi Cam .......................................................51

3.3

Thiết kế và thi công phần cứng ..................................................................52

3.3.1

Khối nguồn step down 3.3V, 5.0V ......................................................52

3.3.2

Board mạch giao tiếp với PC chuẩn USB ...........................................54

3.3.3

Board mạch điều khiển máy bay, chọn chế đọ bay .............................55

3.3.4

Board mạch xử lý trung tâm ................................................................57

3.4

Nghiên cứu giải thuật và xây dựng phần mềm ..........................................57

3.4.1

Sơ đồ khối của hệ thống trên máy bay ................................................57

3.4.2

Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu ....................................................62

3.4.3

Lưu đồ giải thuật .................................................................................62

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp
3.4.4

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Phần mềm hiển thị bản đồ số ..............................................................69

CHƯƠNG 4:

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI ..............73

4.1

Kết quả đạt được ........................................................................................73

4.2

Những hạn chế của đề tài ...........................................................................76

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..........................................................76

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 7

Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

CPU

Central Processing Unit

DAC

Digital to Analog Converter

DLPF

Digital Low Pass Filter

ESC

Electronic Speed Controller

I2C

Inter-Integrated Circuit

GPS

Global Position System

RAM

Random Access Memory

RF

Radio Frequency

RISC

Reduced Instruction Set Computer

RX

Receiver

RSSI

Received Signal Strength Indicator

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

UAV

Unmanned Aerial Vehicles

UBEC

Ultimate Battery Eliminator Circuit

TI

Texas Instrument

TX

Transmitter

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Sơ đồ chân của module Ublox NEO-6M ................................................34
Bảng 3.2: Cấu trúc đoạn tin trong bản tin NMEA ...................................................37
Bảng 3.3: Chức năng các chân của module MPU 6050 ..........................................39
Bảng 3.4: Các thanh ghi cơ bản thiết lập hoạt động của MPU 6050 ......................39
Bảng 3.5: Nguồn xung clock cho con quay hồi chuyển ..........................................40
Bảng 3.6: Bảng tham chiếu đồng bộ mở rộng .........................................................41

Bảng 3.7: Trị số bộ lọc hạ thông số .........................................................................41
Bảng 3.8: Các khoảng đo đạc của con quay hồi chuyển .........................................42
Bảng 3.4: Các thanh ghi chứa dữ liệu của cảm biến ...............................................44
Bảng 3.5: chức năng các chân của module HM-TRP 433 ......................................45
Bảng 3.6: Các mức công suất phát của module HM-TRP 433 ...............................47

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hinh 2.1: Dòng không khí và lực nâng cánh máy bay ............................................15
Hình 2.2: Các lực tác động lên máy bay..................................................................15
Hình 2.3: Hệ thống định vị GPS toàn cầu ...............................................................16
Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động cơ bản hệ thống GPS ...........................................17
Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống GPS ............................................................................19
Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của gia tốc kế ..................................................................21
Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí con quay hồi chuyển .......................................................23
Hình 2.8: Thuật toán bộ lọc Kalman .......................................................................25
Hình 2.9: Sơ đồ thực hiện thuật toán Kalman .........................................................26
Hình 3.1: Máy bay mô hình Sky surfer ...................................................................27
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ phát sóng ..........................................................................27
Hình 3.3: Bộ phát JR Propo X3810 .........................................................................28
Hình 3.5: Bộ thu JR NER-549X 9 kênh ..................................................................28
Hình 3.6: Pin lion.....................................................................................................29
Hình 3.7: Motor brushless Himodel A2212/2700 Kv .............................................29

Hình 3.8: Sơ đồ khối của ESC .................................................................................30
Hình 3.9: ESC HIMODEL 70A ..............................................................................30
Hình 3.10: Độ rộng xung của tín hiệu PWM và góc quay của động cơ servo ........31
Hình 3.11: Động cơ servo Towerpro 9g SG90 Sub Micro......................................31
Hình 3.12: Các thành phần cơ bản điều khiển máy bay ..........................................32
Hình 3.13: Điều khiển máy bay nghiêng sang trái bằng Aileron ............................32
Hình 3.14: Điều khiển hướng rẽ của máy bay bằng Rudder ...................................33
Hình 3.15: Điều khiển độ cao của máy bay thông qua Elevator .............................33
Hình 3.16: Module Ublox Neo 6M .........................................................................33
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý module GPS ...............................................................34
Hình 3.18: Giao diện chương trình U-blox center...................................................35
Hình 3.19: Giao diện cấu hình của chương trình U-blox center .............................35
Hình 3.20: Thiết lập tốc độ baud cho kết nối UART và chuẩn bản tin đầu ra ........36
Hình 3.21: Thiết lập tốc độ cập nhật dữ liệu ...........................................................36
Hình 3.22: Lưu cấu hình vào EPPROM ..................................................................37
Hình 3.23: Module MPU6050 .................................................................................38
Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý của module MPU 6050 ..............................................39
Hình 3.25: Cấu trúc thanh ghi PWR_MGMT_1 .....................................................40
Hình 3.26: Cấu trúc thanh ghi CONFIG .................................................................40
Hình 3.27: Cấu trúc thanh ghi SMPLRT_DIV ........................................................41
Hình 3.28: Cấu trúc thanh ghi GYRO_CONFIG ....................................................42
Hình 3.29: Cấu trúc thanh ghi ACCEL_CONFIG ..................................................43
Hình 3.30: Module RF HM-TRP 433 Mhz .............................................................44
Hình 3.31: Sơ đồ mạch module RF HM-TRP 433 Mhz..........................................45
Hình 3.32: Biểu đồ quan hệ giữa RSSI và công suất ngõ vào.................................48
Hình 3.33: Giao diện phần mềm HM-TRP Setting GUI .........................................48
Hình 3.34: Sơ đồ các khối chức năng của MSP430F5418A ...................................50
Hình 3.35: Luồng dữ liệu khi TUSB3410 hoạt động ..............................................50
Hình 3.36: Các khối và chức năng của board Raspberry Pi ....................................51
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Hình 3.38: Sơ đồ cơ bản của nguồn step down .......................................................52
Hình 3.39: Giản đồ nguyên lý hoạt động của nguồn step down .............................53
Hình 3.40: Nguyên lý khối nguồn step down 5V-3A sử dụng LM2576 .................53
Hình 3.41: Sơ đồ layout của mạch nguồn stepdown ...............................................54
Hình 3.42: Sơ đồ nguyên lý board giao tiếp với PC................................................54
Hình 3.43: Sơ đồ layout của mạch giao tiếp PC ở trạm thu ....................................55
Hình 3.44: Sơ đồ nguyên lý board mạch điều khiển máy bay ................................56
Hình 3.45: Sơ đồ layout của mạch điều khiển máy bay ..........................................56
Hình 3.46: Sơ đồ nguyên lý board mạch xử lý trung tâm .......................................57
Hình 3.47: Sơ đồ layout của board xử lý trung tâm ................................................57
Hình 3.48: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống trên máy bay ..................................58
Hình 3.49: Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu.......................................................62
Hình 3.50: Lưu đồ giải thuật của board xử lý trung tâm MSP430F5418A .............63
Hình 3.51: Lưu đồ giải thuật kiểm tra kết nối MPU6050 .......................................64
Hình 3.52: Lưu đồ giải thuật lọc thông tin từ bản tin NMEA .................................65
Hình 3.53: Lưu đồ giải thuật nhận thông tin điều khiển từ trạm mặt đất ................67
Hình 3.54: Lưu đồ giải thuật xác định trạng thái hoạt động của hệ thống ..............68
Hình 3.55: Giao diện phần mềm hiển thị bản đồ số ................................................69
Hình 3.56: Cửa sổ hiển thị và truyền nhận dữ liệu của phần mềm .........................70
Hình 3.57: Lưu đồ giải thuật phần mềm hiển thị bản đồ số ....................................71
Hình 4.1: Board điều khiển hệ thống.......................................................................73
Hình 4.2: Tổng quát hệ thống trên máy bay ............................................................74
Hình 4.3: Hệ thống tại mặt đất ................................................................................74

Hình 4.4: Quĩ đạo bay thực nghiệm tại khu Nam Long ngày 14/03/2014 ..............75
Hình 4.5: Ảnh chụp từ máy bay tại khu Nam Long ngày 14/03/2014 ....................75

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh
TÓM TẮT

Trong vài năm gần đây, máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAVs)
đã được ứng dụng để phục vụ sản xuất nông nghiệp và quản lý rừng. So với máy bay có
người lái, UAVs có thể hoạt động hiệu quả hơn trên vùng diện tích nhỏ ở cao độ thấp để
thực hiện các chức năng chụp ảnh, và thu thập dữ liệu với độ chính xác cao. Tuy nhiên,
một trong những yếu tố cản trở việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này là chi phí đầu tư
cho hệ thống khá cao. Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm thiết kế hệ thống điều khiển cho
máy bay không người lái hướng đến việc phục vụ các hoạt động sản xuất nông nghiệp và
giám sát rừng với chi phí đầu tư thấp. Để tăng tính khả thi của giải pháp, một máy bay
điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến Sky Surfer thuộc dòng Glider với sải cánh 1.4 m
được sử dụng trong nghiên cứu này. Kết quả bước đầu, máy bay có khả năng tự hoạt
động và bay theo một hành trình được xác định trước sau khi cất cánh và đạt độ cao
mong muốn. Máy bay có thể được trang bị 01 camera với độ phân giải 5 Mpixels, bay ở
độ cao từ 30 đến 40 m với vận tốc trung bình khoảng 60 Km/h. Ngoài ra, tọa độ GPS của
máy bay được cập nhật liên tục và hiển thị trên màn hình máy tính đặt ở mặt đất. Kết quả
của đề tài có triển vọng ứng dụng trong việc chụp ảnh phân tích tình trạng phát triển của
đồng lúa, vườn cây và quản lý rừng có diện tích vừa và nhỏ.
Từ khóa: hệ thống bay tự động, bản đồ số, bảo vệ rừng.

ABSTRACT
The Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been developed and applied for use in
agriculture and forestry applications. Compared with piloted aircraft, an UAV can
operate more effectively on small crop fields at lower altitudes than regular aircrafts to
perform specific tasks with higher precision. However, the high cost of systems is one of
the main factors limiting their practical implementations. The purpose of this study is to
design a low-cost UAV for farming management and forest surveillance. For its
feasibility, a radio-controlled glider having wingspan of 1.4 meters, namely Sky Surfer,
has been employed in this work. As the very first results, the aircraft can automatically
operate on a pre-programed flight plan after taking off and reaching certain altitudes.
The designed aircraft, equipped with a 5-Mpixel camera, can fly at a height of 30 to 40
meters at an average speed of 60 Km/h. In addition, aircraft’s GPS coordinates can be
continuously updated and displayed on a ground station. The results of this study are
expected to be suitable for image analysis and acquisition of small crop fields and forest
management.
Key word: UAVs, digital map, forest protection.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hệ thống máy bay không người lái đã trở nên quen thuộc và được phát triển ở
nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống giao hàng tự động của Amazon sử dụng
Multirotor, dự án phủ sóng Internet của Facebook,.. Đây là xu thế chung khi khoa
học công nghệ ngày càng phát triển và nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng
được nâng cao.
Ở Việt Nam, việc sử dụng các máy bay không người lái chủ yếu nằm ở lĩnh vực
giải trí, chưa có nhiều nghiên cứu phát triển để đưa những chiếc máy bay mô hình
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 12

Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

vào các ứng dụng thực tế. Từ nhận định đó, nhóm thực hiện muốn nghiên cứu và
xây dựng hệ thống máy bay không người lái cơ bản để có thể nắm đươc tổng quan
toàn hệ thống và làm nền tảng cơ sở phát triển thành các ứng dụng về sau.
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Khái niệm về máy bay không người lái đã được đề cập vào giữa những năm 1800,
và nó được dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Cùng với sự phát triển của khoa
học kỹ thuật, UAVs cũng không ngừng đổi mới. Vào tháng 2-2013, có ít nhất 50
quốc gia sử dụng máy bay không người lái (), nó có thể
được sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho việc tìm kiếm và cứu nạn, UAVs có thể
giúp tìm kiếm các nạn nhân mất tích trong vùng hoang dã, mắc kẹt trong tòa nhà bị
sập, trôi dạt trên biển, phục vụ cho công tác kiểm lâm, hoạt động sản xuất nông
nghiệp…
Ở Việt Nam cũng có nhiều đề tài nghiên cứu về UAVs: luận văn “Nghiên cứu giải
thuật điều khiển mô hình máy bay bốn động cơ” của sinh viên Trần Trung Tín-Đại
học Cần Thơ, project FW-1 của nhóm Freedom wings - Đại học FPT,.. Hai đề tài
trên sử dụng vi điều khiển Atmega với lợi thế tốc độ xử lý nhanh 16 Mhz, nhiều
chương trình mã nguồn mở thuận lợi cho việc lập trình, tuy nhiên tiêu thụ nhiều
năng lượng. Nhóm thực hiện sử dụng dòng vi điều khiển MSP430 của Texas
Instrument với nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng thích hợp cho các ứng dụng
dùng pin, đồng thời tọa độ của máy bay được hiện thị trực tiếp trên màn hình máy
tính ở trạm thu, đây cũng là một nét nổi bật của đề tài.
1.3 PHẠM VI ĐỀ TÀI
Máy bay tự động đặt ra mục tiêu là có khả năng bay theo tọa độ GPS với cao độ
thấp xác định trước, để thu thập dữ liệu phục vụ cho việc sản xuất nông nghiệp,
quản lý rừng một cách có hiệu quả. Với yêu cầu trên thì về cơ bản máy bay cần có
khả năng tự cân bằng, rẽ theo tọa độ GPS, truyền dữ liệu về trạm thu ở mặt đất.

Do thời gian và kinh phí thực hiện có hạn nên nhóm chỉ nghiên cứu và trình bày
chủ yếu về hoạt động cơ bản của hệ thống máy bay không người lái. Trong đó chủ
yếu tính năng tự giữ cân bằng của máy bay, đây là một tính năng cơ bản và rất
quan trọng của máy bay không người lái. Bên cạnh đó thì tọa GPS tức thời của
máy bay cũng được cập nhật liên tục và hiển thị lên bản đồ số ở trạm thu.
Phạm vi nghiên cứu của nhóm:
-

Cải tiến, thiết kế hệ thống điều khiển để máy bay mô hình Sky Surfer có
khả năng tự hoạt động

-

Máy bay sau khi cải tiến có khả năng tự giữ cân bằng trên không trung

-

Có khả năng mang theo camera chụp ảnh

1.4 PHƯƠNG PHÁP THƯC HIỆN
Để giải quyết bài toán nêu trên, nhóm thực hiện chọn máy bay điều khiển từ xa
Sky Surfer thuộc dòng Glider với sải cánh 1.4 m để nghiên cứu, dòng vi điều khiển
MSP430 của Texas Instruments làm bộ xử lý trung tâm, U-blox 6 GPS module để
thu tọa độ GPS, cảm biến MPU6050 để giữ cân bằng và tọa độ của máy bay được
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

truyền về trạm thông qua module RF HM-TRP. Tiến trình được chia thành các giai
đoạn cụ thể như sau:
-

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cách thức điều khiển của tàu lượn Sky
Surfer, hoàn chỉnh máy bay mô hình

-

Nghiên cứu MSP430G2553, MSP430F5418A, các module RF, GPS, cảm
MPU6050

-

Nghiên cứu bộ lọc Kalman và giải thuật để tàu lượn Sky Suffer tự giữ cân
bằng

-

Nghiên cứu về cách hiển thị dữ liệu lên bản đồ số

-

Thiết kế và thi công board mạch điều khiển trung tâm cho máy bay, mạch
nguồn và mạch giao tiếp với PC ở trạm thu

-

Kết nối các module, board mạch thành hệ thống hoàn chỉnh, tiến hành thử
nghiệm và cải tiến hệ thống

-

Lắp ráp hệ thống trên máy bay Sky surfer, bay thử nghiệm và cân chỉnh

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC
Máy bay bay lên được nhờ lực nâng khí đông lực học hay còn gọi là lực nâng
Joukowski, lực này sẽ thắng trọng lực và nâng máy bay lên khỏi mặt đất. Đây là
kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể
khi dòng khí chuyển động chạy bao quanh vật thể, ở đây ta xét đến là cánh máy
bay. Để có lực nâng của không khí thì thiết diện của vật thể phải không đối xứng
qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn mặt dưới.

Hinh 2.1: Dòng không khí và lực nâng cánh máy bay
Khi máy bay chuyển động trong không khí, sẽ chịu ảnh hưởng của lực nâng không
khí, lực cản của không khí, lực đầy của động cơ, trọng lực.

Hình 2.2: Các lực tác động lên máy bay
2.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS
** Sơ lược hệ thống định vị GPS

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Hình 2.3: Hệ thống định vị GPS toàn cầu
Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dự
phòng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo
để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu quỹ đạo,
mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 55o so với mặt phẳng
xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch nhau số lần nguyên của
60o. Vệ tinh GPS bay quanh trái đất với quỹ đạo tròn, có tâm trùng với tâm của trái
đất với bán kính 26.500km và quay hết một vòng quanh trái đất trong nửa ngày
thiên văn (tương đương 11,96 giờ).
Tất cả các vệ tinh GPS thế hệ I (Block I) bắt đầu được phóng lên quỹ đạo từ những
năm 1978 đến nay không còn hoạt động nữa. Đến năm 1985 Mỹ bắt đầu phóng vệ
tinh GPS thế hệ II (Block II) bằng phi thuyền con thoi và tên lửa đẩy Delta II. Các
thông số chính của vệ tinh thế hệ thứ II như sau:
- Khối lượng trên quỹ đạo: 930Kg.
- Đường kính: 5,1m.
- Tốc độ bay: 4km/s.
- Tần số sóng mang downlink băng L1: 1575,42MHz; băng L2: 1227,6MHz.

- Tần số sóng mang uplink 1783,74MHz.
- Đồng hồ: 02 đồng hồ nguyên tử Cesium; 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium.
- Thời gian hoạt động trên quỹ đạo: 7-8 năm.
** Nguyên lý hoạt động cơ bản hệ thống GPS
Về lý thuyết một máy thu GPS tại bất cứ một địa điểm nào trên trái đất và trong
mọi điều kiện thời tiết đều có thể “nhìn thấy” ít nhất 3 vệ tinh GPS và khi phát
hiện được vệ tinh thứ tư là hoàn toàn có thể xác định được vị trí của mình nhờ các
phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất 2 ngày một lần theo một quĩ đạo rất
chính xác và phát tín hiệu thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông
tin này và bằng phép toán lượng giác, sẽ tính toán được vị trí của người dùng. Về
bản chất, máy thu GPS so sánh độ trễ thời gian tín hiệu phát đi từ các vệ tinh với
thời gian nhận được. Sai lệch về thời gian này sẽ cho biết khoảng cách từ máy thu
đến các vệ tinh là bao xa. Với nhiều khoảng cách như vậy, máy thu sẽ tính toán
được vị trí người dùng. Thông thường, cần tối thiểu 3 tín hiệu vệ tinh để có thể xác
định vị trí máy thu, và càng thu được nhiều tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau thì kết
quả tính toán sẽ càng chính xác.

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động cơ bản hệ thống GPS
Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm
đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính xác.
Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, điều ấy có nghĩa là

máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt cầu
đó là d1. Tương tự nếu ta biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì vị
trí máy thu được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu. Nếu biết
được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí
máy thu là một trong hai giao điểm của của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3.
Trong hai giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ bằng phương pháp nội suy.
Tuy nhiên nếu ta lại biết được khoảng cách từ máy thu đến một vệ tinh thứ 4 thì ta
có thể hoàn toàn xác định chính xác vị trí của máy thu.
Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:
d=V.Δt
Trong đó V: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng.
Δt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu.
Tuy nhiên qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu trong không
gian, để biết được vị trí của máy thu so với mặt đất chúng ta cần phải sử dụng các
thông tin khác.
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo rất chính xác và bay quanh trái đất một
vòng trong 11giờ 58 phút nghĩa là các vệ tinh GPS bay qua các trạm kiểm soát 2
lần trong một ngày. Các trạm kiểm soát được trang bị các thiết bị để tính toán
chính xác tốc độ, vị trí, độ cao của các vệ tinh và truyền trở lại vệ tinh các thông
tin đó. Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì bất kỳ sự thay đổi nào trên quỹ
đạo cũng có thể xác định được. Những nguyên nhân đó chính là sức hút của mặt
trời, mặt trăng, áp suất bức xạ mặt trời...vv. Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí

của nó đối với tâm trái đất đến các máy thu GPS (cùng với các tín hiệu về thời
gian). Các máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác
định vị trí, toạ độ của nó theo các kinh độ và vĩ độ của trái đất. Mô hình toán học
của trái đất được dùng trong hệ thống GPS được gọi là hệ trắc địa toàn cầu WGS84 (World Geodetic System 1984).
** Cấu trúc của hệ thống GPS toàn cầu:
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment), trung
tâm điều khiển (Control Segment) và máy thu tín hiệu GPS (User Segment).
-Trạm không gian:
Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp
toàn cầu và được ví như trái tim của toàn hệ thống. Các vệ tinh được cấp nguồn
hoạt động bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế để hoạt động trong vòng gần 8
năm. Nếu các tấm pin mặt trời bị hỏng thì vệ tinh sẽ hoạt động nhờ các ắc quy dự
phòng được gắn sẵn trên vệ tinh. Ngoài ra trên vệ tinh còn có một hệ thống tên lửa
nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo bay của vệ tinh. Mỹ đã phóng vệ tinh GPS đầu tiên vào
những năm 1978 và tiếp tục hoàn thiện việc phóng 24 vệ tinh lên quỹ đạo vào năm
1994
-Trung tâm điều khiển:
Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạm chủ
(Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Bốn trạm thu được đặt ở các địa điểm
khác nhau trên khắp thế giới: Một được đặt tại đảo Hawaii, một trên đảo Kwajalein
(Thái Bình Dương); một được đặt trên đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và một
trạm được đặt ở đảo Ascension (Đại Tây Dương).
Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ tại Bang Colorado. Bốn
trạm thu tín hiệu có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ
vệ tinh gửi về sau đó gửi nhưng thông tin này cho trạm chủ. Trạm chủ sẽ hiệu
chỉnh những thông tin nhận được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên
vệ tinh để điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với
thông tin về sự suy hao đường truyền
-Máy thu GPS:
Đây là thành phần cuối cùng trong hệ thống GPS. Vì tín hiệu từ vệ tinh GPS được

phát quảng bá trên toàn bộ trái đất nên số lượng máy thu GPS là không giới hạn.
Máy thu GPS sẽ thu các tín hiệu mang thông tin về cự ly, thời gian, trễ truyền sóng
được phát xuống từ 4 vệ tinh để xác định vị trí cũng như tốc độ của mình

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống GPS
** Tín hiệu GPS:
Mỗi vệ tinh GPS thế hệ II đều có mang theo hai loại đồng hồ nguyên tử để đưa
thông tin thời gian vào trong tín hiệu phát. Vệ tinh GPS sử dụng tín hiệu đường
xuống băng L và được chia thành hai băng con đó là L1 và L2 với tần số sóng
mang tương ứng là f1=1575,42MHz và f2=1227,6MHz. Với tần số cơ sở
f0=1,023MHz, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần:
f1=1540f0; f2=1200f0.
Tín hiệu L1 từ mỗi vệ tinh sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK - Binary Phase
Shift Keying) được điều chế bởi hai mã giải tạp ngẫu nhiên PRN. Thành phần
đồng pha được gọi là “mã kém” hay mã C/A (Coarse/Acquistion Code) được dùng
cho mục đích dân sự. Thành phần trực pha (dịch pha 90o) được gọi là “mã chính
xác” hay mã P (Precision Code) được sử dụng trong quân đội Mỹ và các nước
đồng minh với Mỹ. Tín hiệu băng L2 cũng là tín hiệu BPSK được điều chế bằng
mã P.
Khi biết mã giả tạp ngẫu nhiên PRN, chúng ta có thể độc lập truy nhập đến những
tín hiệu từ nhiều vệ tinh GPS trong cùng một tần số sóng mang. Tín hiệu được
truyền bởi mỗi về tinh GPS sẽ được tách ở mỗi máy thu bằng cách tạo mã PRN

tương ứng. Sau đó ghép hoặc tương quan hoá mã PRN này với tín hiệu thu được từ
vệ tinh, chúng ta sẽ có được thông tin dẫn đường. Tất cả các mã PRN đều đã được
biết từ trước, nó được tạo hoặc lưu trong máy thu GPS.
** Độ chính xác hệ thống
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng rào chắn SA (Selective Availability) nhằm làm
giảm độ chính xác của những người sử dụng máy thu GPS phi quân sự. Đây là rào
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

chắn được xây dựng bằng sự kết hợp của các phương thức điều chế, các cấu hình
khác nhau và chia GPS thành 3 cấp dịch vụ với độ chính xác khác nhau: dịch vụ
định vị chính xác (PPS - Precise Positioning Service), dịch vụ định vị chuẩn không
rào chắn( SPS without SA - Standard Positioning Service without SA) và dịch vụ
định vị chuẩn có rào chắn (SPS with SA).
PPS là dịch vụ có độ chính xác cao nhất. Dịch vụ này chỉ được cung cấp cho quân
đội Mỹ và quân đội các nước đồng minh thân cận của Mỹ. Dịch vụ này có khả
năng truy nhập mã P và được dỡ bỏ tất cả các rào chắn SA. Các dịch vụ định vị
chuẩn SPS có độ chính xác thấp hơn và chỉ truy nhập tới mã C/A ở băng tần L1.
Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao
gồm:
•
Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi
khi xuyên qua tầng khí quyển.
•
Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ

nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu.
•
Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác
như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.
•
Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo
vị trí không chính xác.
•
Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu
GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc
đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc
không định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước
hoặc dưới đất.
•
Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của
các vệ tinh ở thời điểm bất kì. Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị
trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một
đường thẳng hoặc cụm thành nhóm.
** Ứng dụng hệ thống GPS
Quản lý và điều hành xe
1. Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển,…
2. Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách,..
3. Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe
4. Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng
mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe công
trình, xe bus, xe khách, xe tự lái. Với nhiều tính năng như:
•
Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận
tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 20


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

•
Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể
hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy,
biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)
•
Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng
một màn hình
•

Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn

•

Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

•

Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

•

Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

•

Chức năng chống trộm

Khảo sát trắc địa, môi trường
Ngoài ra, rất nhiều thiêt bị được ứng dụng công nghệ định vị GPS đem lại lợi ích
lớn lao cho cuộc sống con người như các máy định vị cầm tay, các máy điện thoại
có ứng dụng định vị, phục vụ công tác tìm kiếm cứu nạn .v.v.
2.3 CẢM BIẾN GIA TỐC
Cảm biến gia tốc là thiết bị có khả năng đo đạc độ rung, sự dịch chuyển của vật
thể, cấu trúc. Lực gây ra bởi sự rung lắc hay dịch chuyển sẽ tác động vào khối vật
thể nằm bên trong cảm biến, điều này sẽ sản sinh một lượng điện tích tỉ lệ thuận
với lực tác dụng vào cảm biến.

Housing
Seismic Mass

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của gia tốc kế
Về nguyên tắc, gia tốc kế có cấu trúc là một vật nặng gắn vào một lò xo dao động
tắt dần. Khi có ngoại lực tác dụng vào gia tốc kế, sẽ làm vật nặng dịch chuyển đến
vị trí cân bằng của ngoại lực và lực do lò xo gây nên. Dựa vào lực đàn hồi của lò
xo mà ta có thể xác định được lực tác dụng.
Theo công thức của Định luật II Newton về chuyển động
F = m.a
Trong đó: m là khối lượng của vật
F là lực tác dụng vào vật
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 21

Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

a là gia tốc của vật đó
Lực do lò xo gây ra tuân theo định luật Hooke:
F = -kx
Trong đó: F là lực do lò xo gây ra
k là độ cứng của lò xo
x là độ biến dạng hay độ dời so với vị trí ban đầu
Lúc đó gia tốc sẽ được xác định như sau a = F/m = -kx/m
Khi ta chọn khối lượng vật thể và độ cứng của lò xo xác định thì có thể dễ dàng
tính được gia tốc do lực tác động .
Các cảm biến hiện đại thường sử dụng hệ thống vi cơ điện (micro elctromechanism systems), các cảm biến sử dụng công nghệ này sẽ nhỏ gọn, ít sinh nhiệt
khi hoạt động và có thể tích hợp nhiều cảm biến bên trong để có thể đo đạc trên
nhiều trục khác nhau. Ngoài ra, dòng cảm biến MEMS có khoảng đo đạc rất rộng,
lên đến hàng ngàn lần gia tốc trọng trường g.
Các đặc tính của cảm biến gia tốc:
-Khoảng động (dynamic range): là giá trị biên âm hoặc dương lớn nhất mà cảm
biến có thể đo đạc dược mà không làm biến dạng hoặc cắt tín hiệu ngõ ra.
-Tần số đáp ứng (frequency response): là tần số tín hiệu ngõ ra của cảm biến, được
xác định bởi đặc tính của vật liệu và có độ lệch xác định +- 5%
-g 1g: là giá trị gia tốc dựa vào giá trị gia tốc trọng trường g của Trái Đất: 32.2
ft/s2, 386in/s2 hoặc 9.81 m/s2
-Độ nhạy (Sensitivity): là tác động nhỏ nhất cảm biến có khả năng phát hiện được
-Độ nhạy nhiệt độ (temperature sensitivity): độ thay đổi tín hiệu ngõ ra khi nhiệt
độ cảm biến tăng lên 1 độ.
-Khoảng nhiệt độ hoạt động (temperature range): giới hạn mà cảm biến có thể hoạt
động được.

Các ứng dụng của cảm biến gia tốc trong đời sống:
-Kĩ thuật: dùng để đo đạc gia tốc phương tiện nhằm đánh giá tổng thể hoạt động
của phương tiện và đáp ứng. Thông tin này có thể dùng để hiệu chỉnh hệ thống khi
cần thiết.
-Xây dựng: Cảm biến gia ốc được dùng để theo dõi chuyển động và rung lắc của
các cấu trúc như tòa nhà cao tầng, cầu treo,…
-Y học: cảm biến gia tốc được sử dụng trong các thiết bị liên quan đến sức khỏe
con người: máy phát hiện té ngã, máy đêm bước chân,…
-Dẫn đường: cảm biến gia tốc được sử dụng trong các khối dẫn đường quán tính
INS( Inertial Navigation system) xác định vị trí, vận tốc, quĩ đạo của vật thể trong
không gian.
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 22


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

2.4 CON QUAY HỒI CHUYỂN
Con quay hồi chuyển là thiết bị đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên
nguyên lí bảo toàn động lượng.

Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí con quay hồi chuyển
Về mặt cơ khí, con quay hồi chuyển là một đĩa tròn xoay quanh trục quay tự do
theo mọi hướng. Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men
xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao bên trong. Vì mô
men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng
(gimbal), hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động
nào của vật thể mà nó tựa lên.

Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không
thể hoạt động được hay không đạt đủ độ chính xác, hay đối với sự ổn định của các
thiết bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín hiệu radio hoặc máy
bay không người lái. Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định
hướng trong khai thác mỏ hầm lò.
Ngoài ra, con quay hồi chuyển kết hợp với cảm biến gia tốc có thể xác định được
vật thể có chuyển động hay không dùng để điều khiển tắt mở các thiết bị nhằm tiết
kiệm điện năng.
2.5 BỘ LỌC KALMAN
Năm 1960 R.E. Kalman xuất bản một bài báo nổi tiếng mô tả về một giải pháp đệ
quy để giải quyết vấn đề bộ lọc tuyến tính dữ liệu rời rạc. Kể từ đó, do có những
ưu điểm lớn trong tính toán, bộ lọc Kalman là một chủ đề nhận được ngày càng
nhiều nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt trong các hệ thống định vị, dẫn đường.
Bộ lọc Kalman giải quyết vấn đề sau: trạng thái dự đoán của quá trình thời gian rời
rạc được mô tả theo phương trình sai phân tuyến tính:

xk  Ax k 1  Bu k 1  wk 1

(2.1)

SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 23


Luận văn tốt nghiệp

CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh

Với trạng thái đo lường z  

n

zk  Hxk 1  vk 1

(2.2)

Biến ngẫu nhiên w(k) và v(k) biểu diễn nhiễu đo lường và nhiễu quá trình. Chúng
được coi là độc lập và là nhiễu Gauss có phân bố chuẩn:
P(W))~N(0,Q)

(2.3)

P(R)~N(0,R)
Trong thực tế, ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình Q và ma trận hiệp phương
sai nhiễu đo lường R phải thay đổi theo thời gian hoặc bước đo lường, tuy nhiên
chúng ta có thể coi chúng là hằng số.
Ma trận A(nxn) trong phương trình sai phân (2.1) là ma trận chuyển trạng thái từ
thời điểm quá khứ (k-1) sang thời điểm hiện tại (k). Chú ý rằng, trong thực tế A có
thể thay đổi theo từng bước quá trình, tuy nhiên chúng ta cũng có thể giả sử nó là
hằng số. Ma trận B (nx1) là ma trận điều khiển đầu vào. Ma trận H(mxn) trong
phương trình (2.2) là ma trận đo lường.


Chúng ta định nghĩa x k



là trạng thái tiền nghiệm ở thời điểm thứ k, x k là trạng

thái hậu nghiệm tại thời điểm thứ k và cho ra giá trị đo zk. Chúng ta có thể định

nghĩa các lỗi tiền ước lượng và lỗi hậu ước lượng như sau:


ek  x k  x k

(2.4)



ek  x k  x k

(2.5)

Ma trận hiệp phương sai lỗi ước lượng tiền nghiệm:
T

P   E[ek ek ]

(2.6)

Ma trận hiệp phương sai lỗi ước lượng hậu nghiệm:

Pk  E[ek ek ]
T

(2.7)

Xuất phát từ phương trình cho bộ lọc Kalman, chúng ta đi tìm ra một phương trình
tính toán trạng thái hậu nghiệm như là một tổ hợp tuyến tính của trạng thái tiền


nghiệm và sự khác nhau giữa giá trị đo thực tế zk và giá trị tiên đoán x k được chỉ
trong phương trình sau.






x k  x k  K (zk  H x k )

(2.8)

Giá trị trong công thức (2.8) được gọi là giá trị sai khác giữa giá trị tiên đoán và
giá trị thực tế zk đo được. Giá trị này bằng 0 nghĩa là hai giá trị hoàn toàn đồng
nhất với nhau.
SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi
Trang 24