Tóm tắt Luận án Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái

1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài 
Nghiên cứu và phát triển các hệ thống lái tự động đã được 
các hãng hàng không trên thế giới triển khai ứng dụng từ rất lâu trên 
các loại máy bay được sử dụng trong lĩnh vực dân sự và quân sự. 
Tất cả các loại máy bay hiện tại của các hãng hàng không lớn, như: 
Airbus, Boeing và Locked Martin đều được trang bị hệ thống lái tự 
động hiện đại và độ tin cậy cao. Tương tự như vậy, các hệ thống lái 
này cũng được phát triển và triển khai cho các sản phẩm là phương 
tiện bay không người lái (máy bay không người lái - UAV) nhằm 
phục vụ cho các mục đích khác nhau, như: 
+ Lĩnh vực quân sự: UAV được sử dụng làm các mục tiêu di động 
trên không, quan sát vùng lãnh thổ, biên giới và do thám. 
+ Lĩnh vực dân sự: 
- Giao thông: UAV tham gia vào quá trình giám sát các 
phương tiên giao thông đang lưu hành trên đường bộ và đường thủy. 
- Địa chính: UAV dùng để quan sát, xác định địa giới giữa 
các vùng và thiết lập bản đồ. 
- Các ngành khác: UAV tham gia vào việc quan sát tại các 
địa hình khó và phức tạp mà con người khó có thể có mặt trực tiếp, 
như: quan sát các vùng cháy rừng, địa điểm có độc tố và phóng xạ. 
Trong những năm gần đây, loại phương tiện bay không 
người lái siêu nhỏ (MUAV) đã được phát triển nhanh chóng ở nước 
ta nhằm có thể mang lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực dân sự và 
quân sự, như là giám sát và phân luồng giao thông trong đô thị, tuần 
tra biển đảo, cảnh báo và cứu hộ trong lâm nghiệp. Nó cũng có thể 
mở ra các hướng nghiên cứu mới nhằm triển khai các ứng dụng 
khác nhau; đặc biệt, các nghiên cứu này có thể cho phép phát triển 
các dạng rô bốt bay tự hành không người lái lớn hơn nhằm ứng 
dụng cho các nhiệm vụ trong lĩnh vực quân sự. 
Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: Q-
UAV) được quan tâm và phát triển mạnh bởi vì nó có chế độ cất 
cánh, hạ cánh thẳng đứng, vận hành đơn giản và an toàn hơn. Ngoài 
ra, lực đẩy được tạo ra bởi các cánh quạt có thể dễ dàng xác lập ra 
trạng thái ổn định lơ lửng trên không để phục vụ cho mục đích thu 
phát dữ liệu và quan sát mục tiêu tại vị trí xác định đặt trước. Đã có 
một số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh quạt mang 
2 
được phát triển ở nước ta, tuy nhiên vấn đề điều khiển và ổn định 
bám quỹ đạo bay một cách tự hành của loại phương tiện bay này cần 
phải được xem xét, bởi vì mô hình động lực học phi tuyến của nó rất 
phức tạp và được gắn chặt với các chế độ hoạt động cũng như an 
toàn của toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, việc điều khiển UAV hiện tại 
mới đang được phát triển chủ yếu ở trong nước bởi điều khiển từ xa 
bằng tay thông qua sóng radio. Việc chế tạo hệ thống điều khiển tự 
động cho phép UAV hoàn toàn có thể tự hành bám theo quỹ đạo 
mong muốn vẫn chưa được triển khai diện rộng ở nước ta; nhưng 
các UAV loại này lại đang được rất nhiều các tổ chức trong nước 
quan tâm, như là: Bộ quốc phòng, Cảnh sát biển và Biên phòng, Bộ 
Tài nguyên và Môi trường. 
2. Mục đích 
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên 
cứu khoa học được thực hiện về thiết kế và chế tạo hệ thống điều 
khiển cho MUAV tự hành nói chung và Q-UAV nói riêng; MUAV 
có thể hoạt động được một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó 
đòi hỏi có ba hệ thống chính: Hệ thống dẫn đường nhằm đưa ra quỹ 
đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác 
định các trạng thái hiện tại của phương tiện; hệ thống điều khiển 
nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình động lực học tương ứng 
với các chế độ hoạt động khác nhau của phương tiện. Trong luận án 
này, hệ thống điều khiển MUAV được mô tả bởi các mô hình liên 
tục, mô hình sự kiện rời rạc và tác động qua lại giữa chúng, như là: 
các chuyển động theo hướng RPY, cao độ và vị trí mặt ngang khác 
nhau, các sự kiện và tín hiệu tương tác với hệ thống dẫn đường và 
định vị, các tác động nhiễu loạn đến từ môi trường xung quanh; hệ 
thống điều khiển có đặc điểm như thế có thể được xem như là hệ 
thống động lực lai (HDS). Các mô hình liên tục/rời rạc và tương tác 
giữa chúng có thể được mô hình hóa thông qua cụ thể hóa Automate 
lai và cần phải được thực thi kèm theo các giả thuyết xác nhận tính 
hợp lệ nhằm kiểm tra về an toàn và hiệu năng của toàn bộ hệ thống 
tại mọi thời điểm hoạt động. Bên cạnh đó, việc sử dụng các chuẩn 
để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiển công nghiệp 
cần phải được xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều 
khiển MUAV đã phát triển được áp dụng cho ứng dụng UAV mới là 
3 
quan trọng, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời 
phát triển sản phẩm công nghiệp. 
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 
Để đáp ứng được các mục đích chính trên đây, các phương 
pháp phát triển hướng mô hình hóa hướng đối tượng đã cho phép 
tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng được các 
yêu cầu thay đổi của các hệ thống điều khiển. Tổ chức hướng đối 
tượng quốc tế (OMG) đã đưa ra cách tiếp cận kiến trúc hướng mô 
hình (MDA) kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời 
gian thực (RealTime UML/MARTE) nhằm ứng dụng trong việc 
phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều 
khiển công nghiệp nói riêng. MDA cho phép tách các đặc tả chức 
năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên 
một nền công nghệ cụ thể. Cách tiếp cận MDA có các đặc điểm 
chính, như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát 
triển với các hệ thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các 
thành phần đã phát triển nhằm giảm thời gian, chi phí và nhân lực 
cho các dự án phát triển hệ thống công nghiệp. Dựa theo cách tiếp 
cận này đã có nhiều ứng dụng được phát triển thành công trên các 
hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển 
nhúng trong thời gian thực trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp 
khác nhau. 
Bên cạnh đó, có những công cụ phần mềm mã nguồn mở 
hoặc thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ 
thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp 
luận trên đây, như: OpenModelica [59], MatLab-Simulink [47], IBM 
Rational Rose RealTime và IBM Rational Rhapsody. Hiện nay đã có 
nhiều doanh nghiệp hàng không lớn trên thế giới đã ứng dụng thành 
công công nghệ hướng đối tượng để phát triển các hệ thống điều 
khiển phức tạp trên các phương tiện bay, như: Boeing, Lockeed 
Martin và Airbus. Với tính ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật như trên, 
có thể khẳng định rằng việc nghiên cứu và phát triển một phương 
pháp linh hoạt trong điều khiển các MUAV là rất quan trọng; nó 
không những góp phần rất lớn cho các mục đích dân sự mà xa hơn 
nữa còn góp phần vào mục đích quân sự. Đặc biệt, đối với địa hình 
của nước ta có bờ biển dài và nhiểu rừng núi thì việc ứng dụng sản 
phẩm này cho cả mục đích dân sự và quân sự lại càng cấp thiết. 
4 
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, luận án đã 
được đề xuất nghiên cứu về đề tài: “Phương pháp thiết kế hướng 
đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái”. 
Trong phạm vi của luận án, đối tượng phương tiện bay 
không người lái là thiết bị bay có bốn chong chóng mang (Q-UAV) 
được sử dụng nhằm minh họa dễ dàng cách tiếp cận hướng đối 
tượng trong phát triển hệ thống điều khiển UAV. Ngoài ra, các qui 
tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết kế chi tiết của hệ thống điều 
khiển đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ dàng ứng 
dụng cho các loại UAV khác nhau. 
4. Các điểm mới của luận án đạt được 
- Đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa trên việc cụ thể 
hóa các đặc trưng của hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử điều 
khiển được mô tả bởi Automate lai (HA). 
- Đưa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển 
hướng đối tượng trong thời gian thực cho MUAV thông qua cụ thể 
hóa RealTime UML với MDA, nhằm nâng cao hiệu năng thực thi hệ 
thống điều khiển và triển khai trên một MUAV: Q-UAV tự hành 
bám theo quỹ đạo mong muốn. 
- Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy 
biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại Q-UAV 
hoặc MUAV chong chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng 
(VTOL) khác nhau. 
5. Cấu trúc của luận án 
Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 
1 trình bày tổng quan về phương tiện bay không người lái và các kỹ 
thuật điều khiển; Chương 2 giới thiệu mô hình hóa và mô phỏng 
động lực học trong điều khiển cho Q-UAV. Quy trình phân tích, 
thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển cho Q-UAV 
bằng công nghệ hướng đối tượng được trình bày trong Chương 3; 
Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là 
kết luận chung và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. 
5 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG 
NGƯỜI LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 
1.1. Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện bay 
không người lái 
1.2. Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống 
điều khiển UAV 
- Giải thuật PID. 
- Một giải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) 
- Một cách tiếp cận khác ghép giữa SMC và phương thức 
điều khiển cấp ngược (BS) 
Bên cạnh các giải thuật PID, SMC và BS còn có nhiều 
phương thức khác nhau như: tích phân cấp ngược (IB), toàn phương 
tuyến tính (LQ), tiêu chuẩn Lyapunov và dự đoán mô hình (MPC). 
1.3. Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô 
hình hóa hệ thống điều khiển 
1.3.1. Hệ thống động lực lai và Automate lai 
1.3.1.1. Hệ thống động lực lai 
Hệ thống động lực lai (HDS) là hệ thống thời gian thực, nó 
bao gồm phần liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng. 
1.3.1.2. Automate lai 
Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển, người ta sử 
dụng biểu đồ diễn tiến chức năng. 
Các đặc trưng trong HA của hệ thống được biểu diễn bởi:  
H = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) 
1.3.2. Sử dụng công nghệ hướng đối tượng 
1.3.2.1. Lập trình hướng đối tượng 
Lập trình hướng đối tượng được coi là phương pháp lập trình 
chuẩn hiện nay bởi nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp 
cấu trúc. 
1.3.2.2. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực 
Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn là cốt lõi của 
phân tích, thiết kế phần mềm công nghiệp, ngôn ngữ mô hình hóa 
hợp nhất (UML) đã được OMG chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi 
trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 
Do đó, luận án đã lựa chọn RealTime UML là ngôn ngữ trực 
quan để mô hình hóa các pha phân tích và thiết kế cho hệ thống điều 
khiển UAV kết hợp với HA. 
6 
1.3.3. Kiến trúc hướng theo mô hình 
Kiến trúc hướng mô hình (MDA) là một cách tiếp cận mô 
hình hoá trực quan trong suốt quá trình tìm hiểu, phân tích, thiết kế, 
thực thi một hệ thống phần mềm nói chung, đặc biệt là trong điều 
khiển công nghiệp. Hình 1.10 mô tả một cách tổng quan về sự phân 
loại các mô hình chính của MDA theo trật tự từ mức độ trừu tượng 
hóa đến cụ thể hoá. 
 Hình 1.11. Sự phân loại các mô 
hình chính trong MDA 
 Hình 1.12. Ví dụ về phát triển 
hướng theo mô hình 
Mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM): Hình 1.13 sử dụng sơ 
đồ lớp của UML nhằm đưa ra một ví dụ cụ thể của CIM. Trong mô 
hình này không có thông tin nào chỉ ra giải pháp dựa trên thao tác 
tính toán. 
Mô hình độc lập với nền công nghệ (PIM): Hình 1.14 sử dụng sơ đồ 
lớp của UML nhằm giới thiệu ví dụ về PIM xuất phát từ ví dụ về 
CIM được mô tả trên Hình 1.13. 
Hình 1.13. Ví dụ về CIM 
Hình 1.14. Ví dụ về PIM dựa theo 
Hình 1.13 
1.4. Lựa chọn ứng dụng 
Để minh họa cho phương pháp phân tích, thiết kế và thực thi 
hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án đã lựa 
chọn loại máy bay siêu nhỏ không người lái bốn cánh quạt (Q-
UAV). Nguyên lý hoạt động cơ bản của Q-UAV được mô tả như 
sau như trên Hình 1.16. Hình 1.17 thể hiện mô hình thiết kế tổng 
quan về hình học của Q-UAV này. 
7 
Hình 1.16. Mô tả phương và 
hướng di chuyển của Q-UAV Hình 1.17. Mô hình thiết kế tổng 
quan về hình học của Q-UAV 
Trong ứng dụng này, phần mềm Ansys-Fluent được sử dụng 
để hỗ trợ trong việc thực hiện các quy trình tính toán. Một ví dụ 
minh họa các kết quả mô phỏng CFD về phân bố áp suất và vận tốc 
trên một cánh quạt được biểu diễn như trên Hình 1.18. 
Hình 1.18. Ví dụ về phân bố áp suất và phân bố vận tốc cánh quạt 
Tất cả các kết quả từ mô phỏng CFD cho phép suy ra về mặt lý 
thuyết các giá trị khí động lực học, như: lực nâng, lực cản và mô 
men quay tương ứng với tốc độ khác nhau của cánh quạt cho động 
cơ. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chuyên sâu về CFD cho Q-UAV 
không phải là điểm chính của luận án, mà nó chỉ là phần tính toán 
sơ bộ về mặt khí động lực học nhằm phục vụ việc lựa chọn ban đầu 
các cơ cấu chấp hành và cấu trúc hệ thống điều khiển cơ bản cho Q-
UAV. 
Kết luận chương 
Trong chương này, luận án đã trình bày tổng quan về UAV 
và các kỹ thuật điều khiển theo chương trình, bao gồm các nội dung 
chính sau: 
- Cập nhật về quá trình hình thành, phát triển và ứng dụng 
UAV. 
8 
- Nghiên cứu các phương pháp truyền thống trong điều khiển 
UAV. Tuy nhiên, các phương thức điều khiển truyền thống này cần 
phải được kết hợp với các ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng 
nhằm đưa ra bản phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể 
trực quan các tham số điều khiển trong thời gian thực, tùy biến và 
tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các ứng dụng UAV mới 
khác nhau. 
- Giới thiệu về hệ thống động lực lai (HDS) và đề xuất mô 
hình hóa ứng xử điều khiển của nó bằng Automate lai (HA). Tiếp 
theo, hệ thống điều khiển cho UVA được đề xuất là mang đặc tính 
của HDS; bởi nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc và phần tương 
tác giữa liên tục và rời rạc. 
- Cập nhật công nghệ hướng đối tượng để phát triển hệ thống 
điều khiển công nghiệp, như: mô tả ngôn ngữ mô hình hóa trong 
thời gian thực (RealTime UML) và kiến trúc hướng theo mô hình 
(MDA), nhằm phân tích và thiết kế một cách có hệ thống cho UAV 
có ứng xử được mô hình hóa bởi HA. 
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá tổng quan về UAV 
cũng như các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ 
thống điều khiển trên đây, mục tiêu và giải pháp nghiên cứu cụ thể 
của luận án đã được đề xuất như sau sau: 
- Để minh họa cho phương pháp thiết kế hướng đối tượng 
cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án đã lựa chọn loại máy bay 
siêu nhỏ không người lái và tự hành dạng bốn cánh quạt (Q-UAV). 
- Đưa ra cấu trúc cho Q-UAV thông qua cụ thể hóa 
Automate lai (HA) nhằm mô tả ứng xử thực thi của hệ thống điều 
khiển. 
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian 
thực với RealTime UML và MDA để phân tích, thiết kế, mô phỏng 
và thực thi hệ thống điều khiển cho UAV với sự hỗ trợ của các công 
cụ phần mềm IBM Rational Rose RealTime/IBM Rational 
Rhapsody, OpenModelica và MatLab-Simulink. 
- Thiết kế của hệ thống điều khiển được thực hiện thông qua 
các gói, cổng, giao thức và bộ kết nối tổng quát trong RealTime 
UML và cụ thể hóa mô hình CIM, PIM và PSM của MDA, nhằm có 
thể dễ dàng tùy biế ... nh 3.8. 
Hình 3.8. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của 
Q-UAV 
3.3.3. PSM của hệ thống điều khiển Q-UAV 
3.3.3.1. Sự chuyển đổi mô hình PIM-PSM 
Hình 3.14 mô tả tổng quan quá trình chuyển đổi một mô 
hình PIM-PSM. 
Hình 3.15 mô tả phác thảo của chuyển đổi mô hình PIM-
PSM cho hệ thống điều khiển Q-UAV. 
17 
 Hình 3.14. Chuyển đổi mô 
hình PIM-PSM trong MDA 
Hình 3.15. Chuyển đổi mô hình 
PIM-PSM cho hệ thống điều khiển 
Q-UAV 
3.3.3.2. Mô hình thực thi mô phỏng hướng đối tượng 
Chương trình mô phỏng ứng dụng với OpenModelica có thể 
tùy biến và tái sử dụng trong pha triển khai hệ thống điều khiển với 
các bộ vi điều khiển thích ứng với công nghệ hướng đối tượng trên 
thực tế. 
3.3.3.3. Mô hình thi hành triển khai 
Hình 3.19 minh họa một vài hình hình ảnh tích hợp và chạy 
thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo 
quỹ đạo mong muốn. 
Hình 3.19. Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống 
điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn 
18 
Kết luận chương 
Chương này đã trình bày mô hình phân tích, thiết kế và thực 
thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển cho Q-UAV. 
Mô hình này dựa trên việc cụ thể hóa kiến trúc hướng theo mô hình 
(MDA) và ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (RealTime 
UML); nó kèm theo mô hình cấu trúc và ứng xử điều khiển phi 
tuyến lai đã được đề xuất và đánh giá chất lượng sơ bộ trong 
Chương 2. 
Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa MDA với RealTime 
UML và ROPES để phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống 
điều khiển thông qua các thành phần CIM, PIM và PSM, cụ thể là: 
trong CIM, việc cụ thể hóa mô hình trường hợp sử dụng và đặc 
trưng của HA cho phép phân tích chi tiết cấu trúc và ứng xử của hệ 
thống điều khiển Q-UAV; PIM đưa ra mô hình thiết kế chi tiết với 
RealTime UML của hệ thống điều khiển; mô hình hệ thống con và 
cơ chế hướng đối tượng được sử dụng để xây dựng PSM của hệ 
thống này nhằm thực hiện giai đoạn thực thi mô phỏng và triển khai 
hệ thống; các qui tắc chuyển đổi mô hình đã được đưa ra và áp 
dụng, nó cho phép các CIM được xác định chuyển đổi thành PIM và 
tiếp theo chuyển đổi các PIM tới một PSM cụ thể. 
Các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các thành phần thiết kế 
của PIM được đưa ra nhằm ứng dụng trong điều khiển Q-UAV hoặc 
MUAV dạng chong chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng 
(VTOL) khác nhau. 
Dựa theo mô hình này, ứng dụng của luận án đã được mô 
phỏng và thực thi dựa trên các nền công nghệ mã nguồn mở 
OpenModelica và Arduino cho hệ thống điều khiển Q-UAV bám 
theo quĩ đạo đặt trước. 
Chương tiếp theo sẽ trình bày về chạy thử nghiệm và đánh 
giá mô hình thi hành triển khai cho hệ thống điều khiển này. 
19 
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 
ĐIỀU KHIỂN Q-UAV 
4.1. Các tình huống thử nghiệm và đánh giá kết quả 
+ Kịch bản 1: Thử nghiệm khả năng cất cánh tự động và bay 
treo cân bằng tại một điểm trong điều kiện ngoài trời và đánh giá 
khả năng giữ cân bằng và ổn định tại một điểm bay treo đó. Thử 
nghiệm khả năng hạ cánh tự động nhằm đánh giá khả năng tự quay 
về điểm xuất phát trong các trường hợp khẩn cấp, như: nguồn điện 
cung cấp sắp cạn kiệt và mất tín hiệu điều khiển. 
+ Kịch bản 2: Thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo 
các quỹ đạo mong muốn được đặt trước thông qua máy tính điều 
khiển, nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự 
cân bằng ổn định của Q-UAV. 
4.2. Tích hợp thiết bị và quy trình khởi động hệ thống thử 
nghiệm 
4.2.1. Tích hợp các thiết bị thử nghiệm 
+ Sử dụng GPS/IMU cho mô hình thử nghiệm Q-UAV 
NCS đã lựa chọn thiết bị IMU có chứa các cảm biến tích hợp 
MPU6000 (Hình 4.2) được sử dụng trong việc xác định vị trí và 
trạng thái của Q-UAV. 
 (a) (b) 
Hình 4.2. Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a) 
và vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b) 
+ Sử dụng thiết bị lập trình được 
20 
Trong luận án này, bộ vi điều khiển STM32F427 Cortex M4 
được sử dụng để nạp chương trình điều khiển Q-UAV. 
+ Tích hợp các thiết bị khác 
Hình 4.3 mô tả tích hợp vi mạch trên Q-UAV, thiết bị điều 
khiển bằng tay Futaba T8FG, bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của Q-
UAV, màn hình hiển thị video thu được tại mặt đất và hiển thị thông 
số, pin và mạch sạc điện Cellpro và động cơ T-motor kèm theo các 
thông số kỹ thuật, tham gia vào thử nghiệm và đánh giá hệ thống 
điều khiển Q-UAV. 
Hình 4.3. Tích hợp vi mạch trên Q-UAV 
4.2.2. Quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm 
4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-
UAV 
4.3.1. Thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay treo và hạ 
cánh tự động 
Hình 4.11 minh họa hình ảnh thử nghiệm khả năng cất cánh 
tự động và bay treo cân bằng tại một điểm trong điều kiện ngoài trời 
Hình 4.12 mô tả giao diện cài đặt các chế bộ an toàn cho Q-UAV. 
Hình 4.11. Hình ảnh thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, 
bay treo và hạ cánh tự động 
21 
Q-UAV đã cất cánh tự động tới độ cao 20m và đã bay treo 
cân bằng trong 9 phút 36 giây với các dao động của các góc RPY 
xung quanh điểm “0” do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường 
(Hình 4.13). 
 Hình 4.12. Giao diện cài đặt các 
chế bộ an toàn cho Q-UAV 
 Hình 4.13. Đồ thị theo dõi trạng 
thái Q-UAV trên máy tính 
4.3.2. Thử nghiệm và đánh giá bay tự động bám theo các quỹ đạo 
mong muốn 
+ Trường hợp 1: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất 
tại mỗi điểm là 90 độ với vận tốc là 2,5 m/s (Hình 4.14). Trong đó, 
đường màu vàng là quỹ đạo mong muốn cài đặt trên máy tính; 
đường màu xanh nước biển là quỹ đạo thực tế mà Q-UAV đã di 
chuyển. 
Sau khi tiến hành bay thực tế và thu được toàn bộ bảng ghi 
(dạng logfile) các tham số điều khiển và thông số trạng thái của Q-
UAV. Luận án thực hiện lấy số liệu thực tế thu được từ thiết bị GPS 
và chuyển các giá trị kinh độ và vĩ độ thu được từ GPS sang hệ trục 
tọa độ NEU, nhằm dễ dàng trực quan đánh giá sai số chi tiết trong 
trường hợp bay bám theo quỹ đạo đặt sẵn trên phần mềm MatLab-
Simulink (Hình 4.15 và 4.16). 
Hình 4.14. Màn hình theo dõi 
và cài đặt các điểm đường 
(WP): trường hợp 1 
Hình 4.15. Quỹ đạo di chuyển 
thực tế thu được của Q-UAV: 
trường hợp 1 
22 
Như trên Hình 4.14: tại các điểm WP1 và WP2, Q-UAV đã 
bay bám khá sát với góc quỹ đạo mong muốn; tại điểm WP3, Q-
UAV đã bay vọt qua điểm cài đặt ~ 2,0m. Tuy nhiên, tại mỗi điểm 
WP đã được đặt một vòng tròn sai số có bán kính là 2,0m. Điều này 
hoàn toàn phù hợp trong điều kiện thử nghiệm thực tế hiện nay. 
Trên quãng đường di chuyển giữa các WP, Q-UAV đã bám sát với 
đường thẳng quỹ đạo đặt ra với sai số lớn nhất là 0,8m. 
Hình 4.17 cho thấy được khoảng cách và thời gian di chuyển 
giữa các WP của Q-UAV. 
Hình 4.16. Quỹ đạo di chuyển 
mô phỏng của Q-UAV: trường 
hợp 1 
Hình 4.17. Khoảng cách và thời 
gian di chuyển giữa các WP của 
Q-UAV: trường hợp 1 
Kết luận chương 
Trong chương này, luận án đã trình bày về thử nghiệm và 
đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV đã được thiết kế bằng công 
nghệ hướng đối tượng, bao gồm các điểm chính, như: 
+ Mô tả tích hợp thiết bị và qui trình khởi động hệ thống thử 
nghiệm. 
+ Đưa ra các kịch bản thử nghiệm. 
+ Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống: Thử nghiệm 
khả năng cất cánh tự động và bay treo cân bằng tại một điểm trong 
điều kiện ngoài trời và đánh giá khả năng giữ cân bằng và ổn định 
tại một điểm bay treo đó; Thử nghiệm khả năng hạ cánh tự động 
nhằm đánh giá khả năng tự quay về điểm xuất phát trong các trường 
hợp khẩn cấp, như: nguồn điện cung cấp sắp cạn kiệt và mất tín hiệu 
điều khiển; Thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo các quỹ đạo 
mong muốn được đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm 
23 
đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự cân bằng ổn 
định của Q-UAV. 
Với các kết quả thử nghiệm và đánh giá các đáp ứng điều 
khiển trên đây có thể minh chứng cho tính khả thi về hiệu năng và 
tính năng của hệ thống điều khiển Q-UAV đã được phân tích, thiết 
kế và thực thi bởi MDA kết hợp với RealTime UML và ROPES. 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
1. Kết luận 
 Luận án đã đề cập tới mô hình phân tích, thiết kế và thực thi 
hệ thống điều khiển cho thiết bị bay chong chóng mang Q-UAV có 
chế độ cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL); mô hình này dựa 
trên việc cụ thể hóa công nghệ hướng đối tượng trong thời gian 
thực. Nội dung của luận án được thể hiện thông qua các điểm chính 
như sau: 
+ Nghiên cứu tổng quan về UAV và các kỹ thuật mô hình 
hóa, mô phỏng và thực thi điều khiển. 
+ Dựa trên mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV 
kết hợp với cụ thể hóa HA thông qua các giả thuyết thi hành hệ 
thống nhằm đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV tự hành bám 
theo quỹ đạo mong muốn. 
+ Đưa ra mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối 
tượng thông qua MDA kết hợp với RealTime UML và ROPES cho 
hệ thống điều khiển Q-UAV, bao gồm các mô hình: CIM, PIM và 
PSM cùng với các qui tắc theo vết giữa các mô hình này theo các 
nền tảng công nghệ khác nhau có hỗ trợ hướng đối tượng. Các mô 
hình thiết kế và thực thi đã được minh họa với sự hỗ trợ của các 
phần mềm IBM Rational Rose RealTime, OpenModelica và 
MatLab-Simulink cùng với nền công nghệ Arduino nhằm thực hiện 
nhanh chóng mô hình triển khai cho Q-UAV. 
+ Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá chương trình điều 
khiển thông qua các kịch bản cụ thể; kết quả thử nghiệm đã cho thấy 
mô hình điều khiển Q-UAV bảo đảm được tính ổn định và tính năng 
điều khiển phù hợp với mô hình phân tích và thiết kế. 
24 
Các điểm mới trong nghiên cứu bao gồm: 
+ Đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa trên việc cụ 
thể hóa các đặc trưng của hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử 
điều khiển được mô tả bởi Automate lai (HA). 
+ Đưa ra các mô hình phân tích, thiết kế và thực thi điều 
khiển hướng đối tượng trong thời gian thực cho hệ thống điều khiển 
Q-UAV thông qua cụ thể hóa MDA và các giả thuyết thực thi 
Automate lai (HA) được kết hợp với RealTime UML và ROPES. 
Dựa theo các mô hình đã đề xuất này, hệ thống điều khiển cho Q-
UAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn đã được triển khai 
thành công. 
+ Các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các thành phần thiết kế 
của PIM được đưa ra nhằm ứng dụng trong điều khiển Q-UAV hoặc 
MUAV dạng chong chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng 
(VTOL) khác nhau. 
Tuy nhiên, trong luận án này có một số tồn tại sau: 
- Chưa đưa ra các hoạt động chi tiết của vòng lặp thứ hai 
trong vòng đời phát triển hệ thống điều khiển của Q-UAV dựa theo 
qui trình MDA đã đề xuất. 
- Do giới hạn về mặt tài chính, ứng dụng Q-UAV mới sử 
dụng vi điều khiển mô hình Arduino; nên hiệu năng tính toán điều 
khiển và phạm vi hoạt động của hệ thống cũng bị hạn chế theo. 
2. Kiến nghị 
 Trong thời gian sắp tới, NCS kết hợp với các đồng nghiệp sẽ 
phát triển cách tiếp cận trên đây với các ngôn ngữ hình thức khác 
nhau, nhằm cải thiện việc mô hình hóa các thành phần vật lý của hệ 
thống và chi tiết các thành phần của chu trình phát triển lặp tiếp 
theo. Đặc biệt là ứng dụng sẽ được trang bị các cảm biến và vi xử lý 
công nghiệp nhằm cải thiện hiệu năng và phạm vi hoạt động của 
toàn bộ hệ thống. 
Cách tiếp cận này có thể được phát triển tiếp theo cho ứng 
dụng điều khiển phối hợp nhóm các UAV tự hành theo đội hình. 
25 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
Phạm Gia Điềm 
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU 
KHIỂN PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực 
Mã số: 62520116 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 
Hà Nội – 2016 
26 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS.TS Ngô Văn Hiền 
2. PGS.TS Nguyễn Phú Khánh 
Phản biện 1: GS. TSKH Nguyễn Đức Cương 
Phản biện 2: PGS. TS Đặng Ngọc Thanh 
Phản biện 3: PGS. TS Trần Đức Thuận 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ 
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
27 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
1. Diem P. G., Hien N. V., Khanh, N. P. (2013) An Object-
Oriented Analysis and Design Model to Implement 
Controllers for Quadrotor UAVs by Specializing MDA’s 
Features with Hybrid Automata and Real-Time UML, 
WSEAS Transactions on Systems (Indexed in Scopus, 
SCImago,  E-ISSN 2224-2678, 
Issue 10, Volume 12, (October 2013), pp. 483-496. 
2. Diem P. G., Khanh N. P., Hien N. V., Hung N. P. (2013) A 
Real-Time Object Collaboration to Develop Controllers of 
Small-Scale Autonomous Unmanned Aerial Vehicles, 
RCMME, ISBN: 978-983-2408-14-7, Kuala Lumpur, 
Malaysia, (2013), pp. 146-156. 
3. Diem P. G., Anh P. H., Khanh N. P., Hung N. P., Hien N. 
V. (2014) A Hybrid Control Model to Develop the 
Trajectory-Tracking Controller for a Quadrotor UAV, the 
5th ICMAE, Madrid, Spain, (July 18-19, 2014), Proc. of 
ICMAE2014, ISBN-13: 978-3-03835-223-5; Journal of 
Advanced Materials Research (Indexed in Scopus, 
SCImago,  ISSN: print 1022-6680 
ISSN, cd 1022-6680 ISSN, web 1662-8985,Volume 1016, 
(2014), pp. 678-685. 
4. Diem P. G., Khanh N. P., Hien N. V. (2014) An Object-
Oriented Design Model to Implement Controllers of 
Miniature Quadrotor UAVs, Journal of Science and 
Technology, VAST - Vietnam Academy Of Science And 
Technology, ISSN: 0866-708X, (2014), pp. 150-159. 
5. Anh P. H., Diem P. G., Tuan D. T., Hien N. V. (2014) A 
Hybrid Automata-Based Model to Develop Controllers for 
Quadrotor UAVs, Proc. of RCMME2014, ISBN: 978-604-
911-942-2, Hanoi, Vietnam, (2014), pp. 397-401. 
28 
6. Tung P. X., Diem P. G., Huy V. Q., Hien N. V. (2014) 
A Capsule-Based Model to Implement Controllers for 
Quadrotor UAVs, Proc. of International Conference on 
Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3), 
ISBN: 978-604-913-367-1, Hanoi, Vietnam, (October 
15-16, 2014), pp. 179-186. 
7. Phạm Gia Điềm, Nguyễn Phú Khánh, Ngô Văn Hiền, 
Nguyễn Phú Hùng (2014), Mô hình thiết kế điều khiển 
phi tuyến cho Quadrotor UAV siêu nhỏ, Hội nghị Cơ 
học Thủy khí Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt 
Nam, 2013, Tuyển tập, ISSN: 1859-4182, (2014), Tr. 
134-141. 
8. K.M Tuấn, N. Đông, N.H. Nam, P.G. Điềm, N.V. Hiền 
(2014) Qui trình hướng đối tượng trong mô hình hóa và 
mô phỏng các hệ thống cơ điện tử điều khiển thông qua 
tích hợp SysML/Modelica/MDA với Automate lai, Tạp 
chí Cơ khí Việt Nam, ISSN: 0866-7056, (2014), Tr. 
150-157. 
9. Phạm Hoàng Anh, Phạm Gia Điềm, Đỗ Trọng Tuấn, 
Ngô Văn Hiền, Nguyễn Phú Hùng (2015) Mô hình thiết 
kế hệ thống điều khiển cho Quadrotor UAV dựa trên nền 
công nghệ Arduino. Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ 
khí Toàn quốc năm 2014, tổ chức từ 24 đến 26 tháng 7 
năm 2014, tại Hoàn Cầu Resort, Tp. Phan Rang, tỉnh 
Ninh Thuận, Việt Nam, Tuyển tập, ISSN: 1859-4182, 
(2015), Tr. 1-9.