Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt
- 76 trang
- file .pdf
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 môi 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 hoàn thành đồ án này tôi 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 tôi xin chịu hoàn toàn 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
NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT
TẮT
UAV Unmanned Aerial Vehicle Máy bay không người lái
Trạm điều khiển mặt đất
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
Hệ thống phòng thủ máy bay không
UADS Unmanned Aircraft Defense System
người lái
UAS Unmanned Aircraft System Hệ thống máy bay không người lái
Tần số cực cao nằm trong khoảng
UHF Ultra High Frequency
300 MHz tới 3 GHz
Tần số rất cao là dải tần số radio từ
VHF Very High Frequency
30 đến 300 MHz
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
Tần số vô tuyến nằm trong khoảng 3
HF High Frequency
tới 30 MHz
HID Human-Interface Device Giao diện người máy
IO Input/Output Cổng tín hiệu vào ra
SL Signal Latency Độ trễ của tín hiệu
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 môi trường vùng truyền song .................................................... 10
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 ........................................ 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 không 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 nguyên 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 toán tay phát .................................................................................. 39
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối giao thức SPI ............................................................................... 40
Hình 3.22: Lưu đồ thuật toán 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 công nghệ tránh phụ thuộc
vào các hãng sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng, tôi 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 không có phi công 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. Ngoài ra UAV còn 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 không
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 toán 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 toán trước đó. Cuối cùng, máy bay
chứa đầy thuốc nổ sẽ rơi tự do xuống mục tiêu dù độ chính xác không 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 lớn-
trên 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. Còn 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 ngoài.
3
Tại Mỹ UAV còn 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 môi 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 không, 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 soát, 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 quá 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 không người lái ở
tất cả các chế độ bay. Tuy nhiên trong thực tế, để đảm bảo tính an toàn 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 mô 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 không 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 thông 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 môi 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 chuyên 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 hoá và điều chế dữ liệu thành sóng
điện từ với cường độ nhất định (công suất tín hiệu đầu ra). Máy thu với chức năng
ngược lại là giải điều chế và giải mã tín hiệu vô 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 vô tuyến giữa Ăng ten phát và Ăng ten thu là một yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến cự li liên lạc trong thông tin vô 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 vô tuyến: không chỉ tồn tại tầm nhìn thẳng quang học mà
còn 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 vô tuyến giữa hai
Ăng ten.
Hình 2.1: Hình tượng hóa môi trường vùng truyền sóng
Như vậy để đạt được một cự li thông tin cực đại, trong vùng truyền sóng phải
không 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
vô 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 thông 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
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 môi 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 hoàn thành đồ án này tôi 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 tôi xin chịu hoàn toàn 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
NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT
TẮT
UAV Unmanned Aerial Vehicle Máy bay không người lái
Trạm điều khiển mặt đất
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
Hệ thống phòng thủ máy bay không
UADS Unmanned Aircraft Defense System
người lái
UAS Unmanned Aircraft System Hệ thống máy bay không người lái
Tần số cực cao nằm trong khoảng
UHF Ultra High Frequency
300 MHz tới 3 GHz
Tần số rất cao là dải tần số radio từ
VHF Very High Frequency
30 đến 300 MHz
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
Tần số vô tuyến nằm trong khoảng 3
HF High Frequency
tới 30 MHz
HID Human-Interface Device Giao diện người máy
IO Input/Output Cổng tín hiệu vào ra
SL Signal Latency Độ trễ của tín hiệu
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 môi trường vùng truyền song .................................................... 10
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 ........................................ 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 không 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 nguyên 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 toán tay phát .................................................................................. 39
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối giao thức SPI ............................................................................... 40
Hình 3.22: Lưu đồ thuật toán 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 công nghệ tránh phụ thuộc
vào các hãng sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng, tôi 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 không có phi công 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. Ngoài ra UAV còn 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 không
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 toán 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 toán trước đó. Cuối cùng, máy bay
chứa đầy thuốc nổ sẽ rơi tự do xuống mục tiêu dù độ chính xác không 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 lớn-
trên 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. Còn 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 ngoài.
3
Tại Mỹ UAV còn 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 môi 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 không, 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 soát, 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 quá 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 không người lái ở
tất cả các chế độ bay. Tuy nhiên trong thực tế, để đảm bảo tính an toàn 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 mô 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 không 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 thông 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 môi 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 chuyên 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 hoá và điều chế dữ liệu thành sóng
điện từ với cường độ nhất định (công suất tín hiệu đầu ra). Máy thu với chức năng
ngược lại là giải điều chế và giải mã tín hiệu vô 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 vô tuyến giữa Ăng ten phát và Ăng ten thu là một yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến cự li liên lạc trong thông tin vô 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 vô tuyến: không chỉ tồn tại tầm nhìn thẳng quang học mà
còn 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 vô tuyến giữa hai
Ăng ten.
Hình 2.1: Hình tượng hóa môi trường vùng truyền sóng
Như vậy để đạt được một cự li thông tin cực đại, trong vùng truyền sóng phải
không 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
vô 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 thông 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