Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ HỒNG SƠN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY
KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM
TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội, năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ HỒNG SƠN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY
KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM
TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. BÙI ĐĂNG THẢNH
Hà Nội – Năm 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Hồng Sơn
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người
lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: CA150431
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 20/01/2018 với
các nội dung sau:
- Chỉnh sửa một số lỗi chính tả, trình bày
- Bổ sung trích dẫn tham khảo khi trình bày các chương
- Việt hóa một số thuật ngữ Tiếng Anh
- Bổ sung, giải thích mơi trường đặc biệt trong luận văn.
- Bổ sung, giải thích lý do thử nghiệm ở khoảng cách 1000m thay vì 3000m?
Ngày tháng 12 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Thiết kế bộ điều khiển mặt đất
cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc
biệt” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh. Các
số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hồn thành đồ án này tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày …. tháng … năm 2017
Tác giả luận văn


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI
LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
.................................................................................................................................... 2
1.1. Tổng quan chung về UAV ..............................................................................2
1.1.1. Lịch sử phát triển ..........................................................................................2
1.1.2. Phân loại .......................................................................................................3
1.1.3. Vai trò của UAV và ứng dụng trong thực tế ................................................4
1.2. Hệ thống điều khiển mặt đất .........................................................................5
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU ................................. 9
2.1. Hệ thống thông tin vô tuyến...........................................................................9
2.1.1. Máy thu và máy phát. ...................................................................................9

2.1.2. Môi trường truyền tin. ..................................................................................9
2.1.3. Ăng ten ........................................................................................................10
2.2. Giới thiệu về sóng RF ...................................................................................12
2.2.1. Tần số mang, bước sóng và phổ điện từ .....................................................12
2.2.2. Kỹ thuật điều chế tín hiệu ...........................................................................14
2.3. Phát hiện và sửa lỗi trong truyền dẫn dữ liệu bằng sóng RF ...................18
2.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................18
2.3.2. Các loại lỗi bit .............................................................................................19
2.3.3. Phát hiện lỗi ................................................................................................19
2.3.4. Sửa lỗi .........................................................................................................22

i


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT UAV ............................................... 26
3.1. Yêu cầu thiết kế.............................................................................................26
3.2. Thiết kế phần cứng máy phát lệnh..............................................................26
3.2.1. Sơ đồ khối tổng quan ..................................................................................26
3.2.2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống..............................................................27
3.2.3. Thiết kế mạch in .........................................................................................33
3.3. Thiết kế phần cứng mạch thu ......................................................................35
3.3.1. Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu ......................................................................35
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch thu ..........................................................................36
3.3.3. Thiết kế sơ đồ mạch in, vỏ hộp sản phẩm ..................................................37
3.4. Thiết kế phần mềm hệ thống .......................................................................39
3.4.1. Lưu đồ thuật toán tay cầm điều khiển ........................................................39
3.4.2. Lưu đồ thuật toán bên thu ...........................................................................44
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................... 49
4.1. Đo thử nghiệm, đánh giá thời gian trễ của tín hiệu giữa 2 bộ truyền và

nhận .......................................................................................................................49
4.2. Đo thử nghiệm, đánh giá tỉ lệ lỗi truyền bản tin ........................................49
4.3. Đo thử nghiệm hoạt động thực tế ................................................................51
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 55
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 56

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
TẮT

NGHĨA TIẾNG ANH

NGHĨA TIẾNG VIỆT
Máy bay không người lái

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

GCS

Ground Control Station

IMU

Inertial Measurement Unit

Cảm biến góc quay

RC

Radio Controlled

Bộ điều khiển qua sóng radio

RF

Radio Frequency

Tần số sóng radio

RSSI

Received Signal Strength Indicator

Cường độ tín hiệu

UADS

Unmanned Aircraft Defense System

UAS

Unmanned Aircraft System

UHF

Ultra High Frequency

VHF

Very High Frequency

VTOL

Vertical Take-Off and Landing

UAV cất hạ cánh thẳng đứng

GHz

Giga-Hertz

Đơn vị tần số

MHz

Mega-Hertz

Đơn vị tần số

Mbps

Millions of bits per second

Đơn vị đo tốc độ truyền dẫn dữ liệu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HALE

High Altitude, Long Endurance

UAV bay lâu – độ cao lớn

HF

High Frequency

HID

Human-Interface Device

Giao diện người máy

IO

Input/Output

Cổng tín hiệu vào ra

SL

Signal Latency

Độ trễ của tín hiệu

Trạm điều khiển mặt đất

Hệ thống phịng thủ máy bay khơng
người lái
Hệ thống máy bay không người lái
Tần số cực cao nằm trong khoảng
300 MHz tới 3 GHz
Tần số rất cao là dải tần số radio từ
30 đến 300 MHz

Tần số vô tuyến nằm trong khoảng 3
tới 30 MHz

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo ............................................................................ 2
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển UAV ............................................................................ 5
Hình 1.3: Trạm điều khiển mặt đất cơ động (PORTABLE GROUND CONTROL
STATION) ............................................................................................................................. 6
Hình 1.4: The “FlightGear” application [2] .......................................................................... 7
Hình 1.5: Sơ đồ kết nối giữa UAV và máy phát lệnh điều khiển .......................................... 7
Hình 1.6: Máy phát lệnh T6J ................................................................................................. 8

Hình 2.1: Hình tượng hóa mơi trường vùng truyền song .................................................... 10
Hình 2.2: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vơ hướng và VBW 2.1 dBi (0 dBd) = 75º
VBW 5.1 dBi (3 dBd) = 33º VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 17º VBW ........................................ 11
Hình 2.3: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướng và VBW 8.1 dBi (6 dBd) =
70º VBW 11.1 dBi (9 dBd) = 55º VBW 15.1 dBi (13 dBd) = 35º VBW ............................ 11
Hình 2.4: Minh họa hệ thống truyền phát khơng dây RF .................................................... 12
Hình 2.5: Phổ tần được chia thành các dải tần..................................................................... 13
Hình 2.6: (a) điều chế biên độ, (b) điều chế tần số .............................................................. 15
Hình 2.7:Dạng sóng điều chế ASK ...................................................................................... 16
Hình 2.8: Dạng sóng điều chế PSK ..................................................................................... 17
Hình 2.9: Dạng sóng điều chế FSK ..................................................................................... 18
Hình 2.10: Lỗi bit trong quá trình nhận dữ liệu ................................................................... 19
Hình 2.11: Phương pháp sử dụng bit dư thừa ...................................................................... 20
Hình 2.12: Quá trình kiểm tra lỗi CRC ................................................................................ 21
Hình 3.1: Sơ đồ khối tay điều khiển .................................................................................... 27
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển............................................................... 27
Hình 3.3: Sơ đồ chân Atmega 32 (a) DIP, (b) TQFP .......................................................... 29
Hình 3.4: Module RFM22 ISM ........................................................................................... 30
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối phát RF ............................................................................. 30
Hình 3.6: Sơ đồ khối nguồn ................................................................................................. 31
Hình 3.7: Pin UltraFire ........................................................................................................ 31
Hình 3.8:Sơ đồ chân của TLV1117-33 ................................................................................ 32

iv


Hình 3.9:Nút nhấn đa hướng (joystick) ............................................................................... 32
Hình 3.11: Chức năng tay điều khiển JoyStick ................................................................... 32
Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý khối Joystick ............................................................................ 33
Hình 3.13: Hình vẽ 3D mạch tay cầm điều khiển ................................................................ 34

Hình 3.14:Sơ đồ mạch in tay điều khiển.............................................................................. 34
Hình 3.15: Sơ đồ khối phần nhận tín hiệu ........................................................................... 35
Hình 3.16: Sơ đồ ngun lý mạch thu ................................................................................. 36
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Servo ............................................... 36
Hình 3.18: Hình vẽ 3D mạch thu trên UAV ........................................................................ 37
Hình 3.19: Sơ đồ mạch in module thu RF ........................................................................... 37
Hình 3.20:Lưu đồ thuật tốn tay phát .................................................................................. 39
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối giao thức SPI ............................................................................... 40
Hình 3.22: Lưu đồ thuật tốn bộ thu tín hiệu RF ................................................................. 44
Hình 4.1: Xung điều khiển kênh 1 khi Joystick ở trạng thái tự nhiên ................................. 51
Hình 4.2: Xung điều khiển kênh 1 khi gạt Joystick xuống tới giới hạn .............................. 52
Hình 4.3: Xung điều khiển kênh 1 khi gạt Joystick lên tới giới hạn ................................... 52

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng các dải tần số .............................................................................................. 13
Bảng 2.2: Cách tính các bit chẵn lẻ trong mã Hamming ..................................................... 23
Bảng 2.3: Kiểm tra các bit chẵn lẻ ....................................................................................... 23
Bảng 2.4: Tính giá trị các bit chẵn lẻ ................................................................................... 24
Bảng 3.1: Định dạng khung bản tin ..................................................................................... 41
Bảng 3.2: Khung bản tin thêm mã kiểm tra lỗi CRC ........................................................... 41
Bảng 4.1: Bảng kết quả phép thử khoảng cách bộ thu phát ................................................. 49
Bảng 4.2: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi bản tin truyền khi chưa sử dụng thuật toán sửa lỗi ......... 50
Bảng 4.3: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi bản tin truyền khi có sử dụng thuật toán sửa lỗi ............. 50

vi

MỞ ĐẦU
Ngày nay, UAV đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân sự và quân
sự. Trong lĩnh vực quân sự UAV được dùng để trinh sát, giám sát mục tiêu, thu thập
dữ liệu và đặc biệt là làm mục tiêu bắn cho tên lửa, pháo trong tập luyện. Đối với
một hệ thống điều khiển UAV, vấn đề truyền thông tin dữ liệu từ máy phát lệnh
điều khiển hay trạm điều khiển mặt đất đến bộ điều khiển trung tâm UAV là rất
quan trọng. Nó điều khiển UAV trong giai đoạn cất cánh và hạ cánh.
Tuy nhiên, hiện nay phần lớn các thiết bị điều khiển cho UAV đều là các thiết bị
nhập khẩu nguyên chiếc, giá thành cao. Do đó, để làm chủ cơng nghệ tránh phụ thuộc
vào các hãng sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực qn sự, quốc phịng, tơi đã lựa chọn
đề tài “Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho
thử nghiệm trong môi trường đặc biệt” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.
Nội dung nghiên cứu của luận văn được thể hiện trong 4 chương:
Chương 1: Tìm hiểu chung về thiết bị bay không người lái, hệ điều khiển trên
mặt đất và định hướng nghiên cứu.
Chương 2: Trình bày về phương pháp truyền dẫn dữ liệu.
Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ điều khiển trên
mặt đất UAV.
Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá.
Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2017
Tác giả luận văn

Lê Hồng Sơn

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI
LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan chung về UAV

UAV (Unmanned Aerial Vehicle)- thiết bị bay không người lái, hay máy bay không
người lái, là tên gọi chung cho các loại máy bay mà khơng có phi cơng ở buồng lái và
được điều khiển từ xa từ trung tâm điều khiển [1] [3]. UAV có nhiều kiểu dáng, hình dạng
và kích thước khác nhau tùy thuộc vào các mục đích sử dụng khác khác nhau.
Từ khi ra đời đến nay UAV được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực quân sự và dân
sự. Đối với lĩnh vực quân sự, UAV được sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát,
thông tin, tác chiến điện tử và thậm chí trực tiếp tham gia chiến đấu. Ngồi ra UAV cịn có
chức năng mang các hàng hóa quan trọng, trọng tải giới hạn, mang camera độ phân giải
cao để khảo sát địa hình, những nơi mà con người khó có thể tới được vv.
1.1.1. Lịch sử phát triển
Sperry Aerial Torpedo được coi là phiên bản máy bay không người lái đầu tiên,
phi cơ Sperry Aerial Torpedo ra đời tại Mỹ năm 1917, một năm trước khi Thế chiến
thứ nhất kết thúc nhằm mục đích mang theo thuốc nổ lao thẳng vào căn cứ đối
phương. Đây được coi là cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển máy bay khơng
người lái.

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo

Cơ chế hoạt động của loại máy bay không người lái thủa sơ khai không quá
phức tạp. Theo đó, chúng được phóng vào quỹ đạo định sẵn nhờ một hệ thống đặc

2


biệt. Khoảng cách tới mục tiêu và những yếu tố khác được con người tính tốn chi
tiết trước khi nhiệm vụ được triển khai. Hệ thống đặc biệt trên máy bay sẽ được hẹn
giờ để thay đổi quỹ đạo theo thời gian được tính tốn trước đó. Cuối cùng, máy bay
chứa đầy thuốc nổ sẽ rơi tự do xuống mục tiêu dù độ chính xác khơng thực sự cao.
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại UAV khác nhau tùy vào quan điểm thiết kế, chế tạo và

mục đích sử dụng. Nhưng nhìn chung, có một số cách phân loại chính như sau:
 Theo lĩnh vực sử dụng: UAV được chia thành UAV quân dụng và dân dụng.
UAV quân dụng lại được chia theo chức năng, tùy nhiệm vụ cần giải quyết của
quân đội từng nước. Chẳng hạn UAV được chia theo chức năng, nhiệm vụ cần
giải quyết: ví dụ như nước Đức họ chia thành loại trinh sát, chiến đấu và bảo
đảm chiến đấu, Mỹ họ chia thành UAV chiến đấu và bảo đảm chiến đấu (UAV
trinh sát được xếp vào bảo vệ chiến đấu).
 Theo phạm vi khối lượng: UAV được chia thành các loại: UAV vi hành –dưới
5Kg; UAV tiểu hình –dưới 200Kg; UAV lớn –trên 1000Kg và UAV siêu lớntrên 20000Kg
 Theo thời gian bay: chia thành các mức dưới 1 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ và
trên 24 giờ.
 Theo độ cao hoạt động: chia thành UAV thành: UAV hoạt động ở độ cao cực
nhỏ có tầm hoạt động dưới 1 km, độ cao nhỏ- dưới 3km, độ cao trung bình dưới
12km, độ cao lớn trên 12km và cực lớn trên 20km.
 Theo phương thức điều khiển, UAV được chia thành phương tiện bay tự hành
(Drones hay UAV) theo phương tiện bay điều khiển từ xa (RPV - Remotely
Piloted Vehicle). UAV tự hành được điều khiển từ máy tính trên phương tiện
bay với chương trình lập trình trước. Cịn RPV, như tên gọi của nó, được điều
khiển thông qua truyền dữ liệu vô tuyến. Theo một quan niệm khác RPV là con
của UAV và hiện là một trong những lớp vũ khí trạng bị đang được phát triển
năng động nhất. Theo đó, hầu hết RPV đều có khả năng bay tự hành theo
chương trình, song vẫn có thể bay theo điều khiển ngồi.

3


Tại Mỹ UAV cịn phân loại theo 2 lớp chính đó là UAV chiến thuật TUAV Tactical Unmanned Air Vehicle (có cự ly tác nghiệp tối đa 200km, chủ yếu nhằm
chi viện cho lực lượng mặt đất) và UAV bay lâu (trên 200km). TUAV lại được chia
thành phân lớp tầm gần (50km) và tầm trung. Lớp UAV bay lây được chia nhỏ
thành phân lớp thời gian dài, độ cao trung bình và độ cao lớn như đã nêu, với những

máy bay có thời gian bay cỡ 10-30h và trên một ngày. Tương lại sẽ có loại UAV
cực lâu –ULE với thời gian lên tới nhiều tháng.
1.1.3. Vai trò của UAV và ứng dụng trong thực tế
Thiết bị bay không người lái - UAV có những ưu điểm vượt trội như:
- Không cần phi công điều khiển trực tiếp trong buồng lái, do đó giảm thiểu
thương vong, chi phí đào tạo, có thể bay liên tục trong nhiều giờ trong các trong các
trường hợp khẩn cấp.
- UAV dễ dàng thay đổi đường bay do đó khó bị đánh chặn hơn các tên lửa
hành trình, đồng thời có thể hoạt động ở các địa hình phức tạp.
- Với ưu thế nhỏ, khó bị phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguy
hiểm, xâm nhập vào không phận để trinh sát và theo dõi đổi phương, thậm chí có
thể trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết.
- UAV cũng thể hiện ưu điểm với khả năng tự hành, nhiều kích thước khác nhau,
thích hợp với mơi trường khắc nghiệt, nguy hiểm mà con người không thể tới được.
Với những ưu thế của mình, UAV đã và đang được ứng dụng vào nhiều mục
đích khác nhau cả trong quân sự và phi quân sự:
 Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự:
- Bay giám sát, hỗ trợ lực lượng mặt đất (Mỹ và nhiều quốc gia khác đang sử
dụng);
- Theo dõi mục tiêu trên khơng, truyền hình ảnh video trực tiếp về căn cứ;
- Tiêu diệt mục tiêu (với các chiếc UAV được gắn vũ khí);
- Huấn luyện bay;
- Rà sốt, phát hiện, hỗ trợ tháo gỡ bom mìn (Lào đang áp dụng);
- Là mục tiêu cho các đối tượng pháo, su30….vv.

4


 Ứng dụng trong lĩnh vực phi quân sự:
- Giao hàng tận nơi;

- Dự báo thời tiết, thu thập thông tin khí tượng (NASA và cơ quan thời tiết
Hoa Kỳ đã sử dụng);
- Quay phim, chụp ảnh từ trên không [1];
- Xây dựng bản đồ, nhất là bản đồ 3D (dùng các hệ thống quét laser như
LIDAR);
- Bảo vệ động vật hoang dã (một vài khu bảo tồn tại Mỹ và Sumatra,
Indonesia đã bắt đầu áp dụng);
- Dùng trong nông nghiệp (rải phân bón, thuốc trừ sâu...);
- Tìm kiếm, cứu nạn.
1.2. Hệ thống điều khiển mặt đất
Mô tả về hệ thống điều khiển mặt đất của UAV được thể hiện trên Hình 1.2.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển UAV

Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm hệ thống điều khiển trên máy bay (Flight
Control System- FCS) và trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station- GCS).
Trạm điều khiển mặt đất có chức năng cấu hình, cài đặt, giám sát, điều khiển các
loại UAV tại mặt đất cũng như trong suốt quá trình bay thực hành nhiệm vụ theo
thời gian thực (Hình 1.3). Cụ thể:
 GCS có khả năng cấu hình, lập trình, điều khiển UAV tại mặt đất cũng như
trong suốt q trình bay.
 Có khả năng điều khiển mở rộng: Điều khiển nhiều thiết bị, máy móc điều

5


khiển từ xa khác có sử dụng modem thu phát tùy thuộc vào modem thu phát
dữ liệu và mục đích sử dụng.
 Có khả năng giám sát, điều khiển nhiều UAV cùng một thời điểm theo thời
gian thực.

Hình 1.3: Trạm điều khiển mặt đất cơ động (PORTABLE GROUND CONTROL STATION)

Trạm điều khiển mặt đất có cấu trúc cơ bản bao gồm: Máy tính trung tâm hoặc
máy tính bảng; chân đế mở rộng cổng giao tiếp (Docking station); bộ tự động bám
sát (tracking antenna); màn hình mở rộng hiển thị các tham số điều khiển mở rộng
hoặc hiển thị video thu được từ UAV truyền về; modem truyền dữ liệu (data link).
Máy tính trung tâm được cài đặt phần mềm điều khiển và hiển thị máy bay và các
phần mềm chuyên dụng được cài đặt để thiết kế bay, điều khiển bay và có thể lập kế
hoạch vị trí hướng cất hạ cánh tại thực địa. Một số phần mềm chuyên xử lý ảnh
UAV phổ biến ở Việt Nam là [1]:
- Trimble Business Center Photogramettry và Inpho UASMaster của hãng
Trimble
- Agisoft PhotoScan của hãng Geoscan Nga
- Pix4d mapper của Thụy Sĩ

6


Hình 1.4: The “FlightGear” application [2]

Hệ thống điều khiển mặt đất có thể điều khiển được máy bay khơng người lái ở
tất cả các chế độ bay. Tuy nhiên trong thực tế, để đảm bảo tính an tồn của các
chuyến bay, trong giai đoạn cất hạ cánh máy bay thường được phi công điều khiển
thông qua máy phát lệnh điều khiển (Transmitter). Sơ đồ kết nối giữa UAV và tay
điều khiển mơ tả như Hình 1.5. Máy phát lệnh điều khiển là thiết bị điều khiển
chuyên dụng có chức năng phát ra các lệnh điều khiển dưới dạng sóng RF và được
truyền đến các thiết bị có trang bị máy thu lệnh điều khiển tương ứng tần số máy
phát và nằm trong vùng khoảng cách giới hạn của thiết bị. Hình 1.6 là một loại máy
phát lệnh điều khiển T6J (hãng Futaba) chuyên dụng cho các thiết bị điều khiển từ

xa mà chủ yếu là các loại UAV.

Hình 1.5: Sơ đồ kết nối giữa UAV và máy phát lệnh điều khiển

7


Hình 1.6: Máy phát lệnh T6J

Bên cạnh đó, máy phát lệnh điều khiển cũng được sử dụng nhiều trong điều
khiển UAV khơng có lắp thiết bị bay tự động theo chương trình vì đơn giản, chi phí
giá thành thấp hơn nhiều so với trạm điều khiển mặt đất. Cấu trúc của tay điều
khiển 4 kênh gồm 1 bộ phát RF, 2 Joystick và các phím bấm cài đặt các thơng số.
Thêm nữa, điều khiển UAV trong lĩnh vực quân sự cần lưu ý đến môi trường
hoạt động. Cần thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo cho thiết bị có thể hoạt động
trong các môi trường đặc biệt như mưa gió, ẩm ướt; hay mơi trường truyền sóng bị
ảnh hưởng bởi các tín hiệu nhiễu như nhiễu pha đinh, nhiễu thứ cấp hay các tín hiệu
phá hoại của kẻ địch.
Từ những phân tích, tìm hiểu trên, luận văn sẽ tập trung trình bày về nghiên
cứu, thiết kế bộ máy phát lệnh điều khiển trên mặt đất trong môi trường đặc biệt
nhằm làm chủ công nghệ và giảm giá thành sản phẩm. Các nghiên cứu, tìm hiểu về
kỹ thuật điều chế tín hiệu, mã hóa, sửa lỗi đường truyền sẽ được trình bày trong báo
cáo giúp cho thiết bị có thể hoạt động trong môi trường đặc biệt đã nêu ở trên. Tác
giả cũng đưa vào sử dụng bộ mã hóa và sửa lỗi hamming để giảm thiểu lỗi bản tin
khi truyền. Trong thiết kế phần cứng, các linh kiện, module chun dụng có sai số ít
và khả năng chống nhiễu cao bên cạnh thiết kế tốt phần phối hợp trở kháng trong
mạch để đảm bảo thiết bị có thể hoạt động tốt trong môi trường đặc biệt.

8

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU
2.1. Hệ thống thông tin vô tuyến
Một hệ thống thông tin vô tuyến cơ bản bao gồm các thành phần chính sau:
- Thiết bị phát.
- Thiết bị thu.
- Môi trường truyền tin.
- Ăng ten.
2.1.1. Máy thu và máy phát.
Chức năng của máy phát trong một hệ thống thông tin vô tuyến là truyền tín
hiệu cần phát đi tới Ăng ten. Máy phát sẽ mã hố và điều chế dữ liệu thành sóng
điện từ với cường độ nhất định (cơng suất tín hiệu đầu ra). Máy thu với chức năng
ngược lại là giải điều chế và giải mã tín hiệu vơ tuyến có ích thu về từ Ăng ten,
trong khi đó loại bỏ những thành phần không mong muốn.
2.1.2. Môi trường truyền tin.
Khoảng không gian giữa máy phát và máy thu là môi trường truyền tin. Nhiễu
và các vật thể xung quanh có thể tham gia, ảnh hưởng và làm giảm khả năng cũng
như chất lượng thông tin.
Để đánh giá chất lượng của môi trường truyền tin, người ta thường quan tâm tới
hai khái niệm dưới đây:
 Tầm nhìn thẳng
Tầm nhìn thẳng vơ tuyến giữa Ăng ten phát và Ăng ten thu là một yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến cự li liên lạc trong thơng tin vơ tuyến. Có thể được phân thành
hai loại như sau:
- Tầm nhìn thẳng quang học: là khả năng có thể nhìn bằng mắt thường từ Ăng
ten phát đến Ăng ten thu. Nói một cách khác là tồn tại một đường truyền thẳng giữa
hai Ăng ten trong môi trường truyền.
- Tầm nhìn thẳng vơ tuyến: khơng chỉ tồn tại tầm nhìn thẳng quang học mà
cịn bao gồm các đường truyền khác được phản xạ, khúc xạ hay tán xạ bởi các
chướng ngại vật trong môi trường truyền.

9


 Vùng truyền tin.
Vùng truyền tin có thể được xem như một khoảng không gian giữa Ăng ten
phát và Ăng ten thu, mà ở đó tập trung phần lớn năng lượng sóng vơ tuyến giữa hai
Ăng ten.

Hình 2.1: Hình tượng hóa mơi trường vùng truyền sóng

Như vậy để đạt được một cự li thông tin cực đại, trong vùng truyền sóng phải
khơng tồn tại bất cứ một chướng ngại vật nào. Do đó nếu Ăng ten được đặt ngay
trên mặt đất, thì phạm vi liên lạc sẽ bị suy giảm một cách đáng kể, do không thể
tránh khỏi các chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối… Để giảm thiểu được suy
giảm này, các Ăng ten thu và phát cần được nâng cao so với mặt đất sao cho các
chướng ngại vật cũng như độ cong của mặt đất không ảnh hưởng đến vùng truyền
sóng.
2.1.3. Ăng ten
Ăng ten là các thiết bị được sử dụng để phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng sóng
vơ tuyến theo các hướng nhất định với các mẫu phát xạ tuỳ thuộc vào từng thiết kế
và từng ứng dụng. Khả năng năng lượng được tập trung theo một hướng nhất định
được gọi là tăng ích Ăng ten.
 Tăng ích Ăng ten
Ăng ten là một thành phần có ảnh hưởng lớn đến khoảng cách truyền tin trong
một hệ thống thơng tin. Trong đó tăng ích Ăng ten là một giá trị mang tính định
lượng cho khả năng này. Do vậy chúng ta có thể điều chỉnh giá trị này nhằm để tăng
cự li liên lạc. Ăng ten có tăng ích càng lớn thì độ tập trung năng lượng càng cao, do
vậy cự li liên lạc càng xa.

10


 Ăng ten vô hướng.
Ăng ten vô hướng là loại Ăng ten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều
đối với tất cả các hướng. Như vậy nó làm phân tán năng lượng và cường độ tín hiệu
đến được máy thu chỉ bằng một phần nhỏ của tổng năng lượng tín hiệu phát ra. Để
khắc phục nhược điểm này chúng ta phải nâng công suất phát, nhưng điều này lại
làm tăng sự xuyên nhiễu giữa các kênh. Nói chung Ăng ten vơ hướng có nhiều hạn
chế về độ tăng ích, hiệu năng sử dụng phổ tần và khả năng tái sử dụng các kênh tần
số. Búp sóng của Ăng ten vơ hướng có dạng vành xuyến. Bề dày VBW (Vertical
Beam Width) của búp sóng (góc mở Ăng ten theo phương thẳng đứng) tỉ lệ nghịch
với tăng ích Ăng ten.

Hình 2.2: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vô hướng và VBW 2.1 dBi (0 dBd) = 75º
VBW 5.1 dBi (3 dBd) = 33º VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 17º VBW

 Ăng ten định hướng.
Ăng ten định hướng cũng là loại Ăng ten đơn giản, nhưng khác với Ăng ten vơ
hướng nó được thiết kế để phát và thu tín hiệu tập trung về một hướng nhất định,
tập trung năng lượng sóng vơ tuyến chủ yếu theo một hướng chính. Búp sóng của
Ăng ten định hướng có dạng như hình vẽ sau:

Hình 2.3: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướng và VBW 8.1 dBi (6 dBd) =
70º VBW 11.1 dBi (9 dBd) = 55º VBW 15.1 dBi (13 dBd) = 35º VBW

11


Như vậy, so với Ăng ten vô hướng, Ăng ten định hướng có độ tăng ích và hiệu

năng tín hiệu cao hơn nhờ sự tập trung tín hiệu. Trong khi độ tăng ích của Ăng ten
vơ hướng có thể được cải thiện trong các môi trường thông tin cho phép tầm nhìn
thẳng, thì hiệu quả của nó trong trường hợp bị che khuất lại tương tự như Ăng ten
lưỡng cực. Nếu cần tăng tối đa cự li thơng tin thì Ăng ten Yagi và một số Ăng ten
khác như Pad, Parabel v.v… là một giải pháp tốt.
2.2. Giới thiệu về sóng RF

Hình 2.4: Minh họa hệ thống truyền phát khơng dây RF

Sóng vơ tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn
ánh sáng hồng ngoại. Sóng vơ tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước
sóng từ 100 km tới 1 mm. Giống như các sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc
ánh sáng. Sóng vơ tuyến do con người tạo nên dùng cho Radar, phát thanh, liên lạc vô
tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác. Thông tin vệ tinh, các mạng
máy tính và vơ số các ứng dụng khác. Các tần số khác nhau của sóng vơ tuyến có đặc
tính lan truyền khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng dài truyền theo đường cong
của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên có thể truyền rất xa, các bước
sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng.
Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên
và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều
khiển chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài
như các thiết bị mở cửa Gara ô tô, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện
tử từ xa, thậm chí kiểm sốt vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại
thơng minh....
2.2.1. Tần số mang, bước sóng và phổ điện từ
Phổ bước sóng được chia theo tần số và thường được gọi là dải tần (Hình 2.5).

12

Hình 2.5: Phổ tần được chia thành các dải tần
Bảng 2.1: Bảng các dải tần số
Tần số

Bước sóng

Tên gọi

Viết
tắt

Chứa tần số điện mạng xoay chiều,
ELF các tín hiệu đo lường từ xa tần
thấp.
VF

30 – 300 Hz

10 km-10 km

Tần số
cực kỳ
thấp

300 – 3000 Hz

103 km-100 km

Tần số
thoại

4

3

3 – 30 kHz

100 km-10 km

Tần số
rất thấp

30 – 300 kHz

10 km-1 km

Tần số
thấp

1 km-100m

Tần số
trung
bình

300 kHz - 3 MHz

3 - 30 MHz

30 - 300 MHz

300 MHz - 3 GHz

100m-10m

10m-1m

1m-10 cm

Công dụng

Chứa các tần số kênh thoại tiêu
chuẩn.

Chứa phần trên của dải nghe được
của tiếng nói. Dùng cho hệ thống
VLF
an ninh, qn sự, chun dụng,
thơng tin dưới nước (tàu ngầm).

Tần số
cao

LF

Dùng cho dẫn đường hàng hải và
hàng khơng.

MF

Dùng cho phát thanh thương mại
sóng trung (535 – 1605 kHz).
Cũng được dùng cho dẫn đường
hàng hải và hàng không.

HF

Dùng trong thông tin vô tuyến 2
chiều với mục đích thơng tin ở
cự ly xa xun lục địa, liên lạc
hàng hải, hàng không, nghiệp dư,
phát thanh quảng bá...

Tần số
rất cao

Dùng cho vô tuyến di động, thông
tin hàng hải và hàng không,
phát thanh FM thương mại (88 đến
VHF
108 MHz), truyền hình thương mại
(kênh 2 đến 12 tần số từ 54 216 MHz).

Tần số
cực cao

Dùng cho các kênh truyền hình
thương mại từ kênh 14 đến kênh
83, các dịch vụ thông tin di động
UHF

mặt đất, di động tế bào, một số hệ
thống radar và dẫn đường, hệ thống
vi ba và vệ tinh.

13


3 – 30 GHz

10 cm-1 cm

Tần số
siêu cao

SHF

chủ yếu dùng cho vi ba và thông
tin vệ tinh.

30 – 300 GHz

1 cm-1mm

Tần số
cực kì
cao

EHF ít sử dụng trong thơng tin vơ tuyến.

Bước sóng được xác định bởi cơng thức

Trong đó:
- λ: Bước sóng;
- c: vận tốc ánh sáng ≈ 3*108 m/s;
- f: tần số sóng vơ tuyến;
- m: hệ số tính theo mơi trường truyền sóng.
2.2.2. Kỹ thuật điều chế tín hiệu
Điều chế tín hiệu là q trình biến đổi một hay nhiều thơng số của một tín hiệu
tuần hồn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thơng tin cần truyền đi xa. Tín hiệu
tuần hồn gọi là sóng mang. Tín hiệu mang thơng tin gọi là tín hiệu được điều chế.
Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thơng số đó của sóng mang tái tạo
lại tín hiệu mang thơng tin ban đầu. Các thơng số của sóng mang được dùng trong
q trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số.
(a) Kỹ thuật điều chế tương tự
Các kiểu điều chế tương tự thường sử dụng trong các hệ thống phát thanh
quảng bá gồm: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM).
- Điều chế biên độ
Khi biên độ của sóng mang RF bị thay đổi tuân theo biên độ của tín hiệu băng
gốc, thì q trình được gọi là điều chế biên độ (AM).
- Điều chế tần số
Khi tần số của sóng mang cao tần (RF) thay đổi (trong phạm vi vài kilohertz) phù
hợp với biên độ của tín hiệu băng gốc, thì q trình được gọi là điều chế tần số (FM).

14


Dạng sóng của tín hiệu băng gốc, tín hiệu sóng mang cao tần và sóng mang RF điều
chế của AM thể hiện ở Hình 2.6a, cịn đối với các dạng sóng FM ở các Hình 2.6b.

Hình 2.6: (a) điều chế biên độ, (b) điều chế tần số

- Điều chế pha
Khi pha của sóng mang cao tần (RF) thay đổi phù hợp với biên độ của tín hiệu
băng gốc, q trình được gọi là điều chế pha (PM). Khi pha của tín hiệu thay đổi,
trong thực tế thực chất là thay đổi về tần số. Nếu xem xét kỹ Hình 2.6b, ta sẽ thấy rằng pha
của mỗi chu kỳ RF là sự thay đổi dần dần khi biên độ của tín hiệu băng gốc thay đổi. Vậy
máy thu sẽ xem dạng sóng điều pha như dạng sóng điều tần. Ưu điểm của điều pha so với
điều tần là ở chổ có thể dùng bộ dao động tinh thể để tạo ra sóng mang RF ở bộ điều chế
pha, nên cho độ ổn định cao hơn. Dao động tinh thể không thể sử dụng trực tiếp trong điều
chế tần số.
(b) Kỹ thuật điều chế số
 Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying) [4]
Trong điều chế ASK, biên độ sóng mang hình sine tần số f được thay đổi giá trị tương
ứng với giá trị của tín hiệu băng gốc, biên độ của sóng mang bao gồm hai mức A0 và A1
tương ứng với mã nhị phân 0 và 1. Trong thực tế, dạng sóng ASK gồm các xung “mark”

15