Sinh viên Bách khoa nâng cấp “bộ não” máy bay không người lái

Tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 42 của Đại học Bách khoa Hà Nội, sinh viên Nguyễn Thế Anh - K65 Ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Trường Điện - Điện tử - lần đầu giới thiệu kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển mờ PD nhằm cải thiện khả năng thích nghi và chống nhiễu cho quadrotor. Đề tài đạt giải Nhất hạng mục Nhà máy thông minh, Robot và Điều khiển thông minh.

Hệ thống quadrotor là một loại máy bay không người lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) có cấu trúc đối xứng với 4 cánh quạt, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giám sát an ninh, cứu hộ,... Bộ điều khiển mờ PD (Proportional-Derivative) được thiết kế để điều khiển quadrotor một cách ổn định và bám quỹ đạo chính xác.

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ PD cho quadrotor

Trong quá trình học tập tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Nguyễn Thế Anh có cơ hội được tiếp cận với nhiều loại UAV hiện đại và dần có niềm yêu thích đặc biệt với quadrotor.

“Quadrotor không chỉ có vai trò quan trọng trong trinh sát, giám sát mà còn có thể hỗ trợ con người thực hiện các nhiệm vụ phức tạp như tìm kiếm cứu nạn, vận chuyển hàng hóa,... Tuy nhiên do đặc tính phi tuyến, chịu tác động của nhiễu và sự bất định của mô hình, điều khiển quadrotor một cách ổn định và bám quỹ đạo chính xác là một thách thức lớn.” – Bài toán này đã thôi thúc cậu sinh viên Nguyễn Thế Anh đi tìm lời giải.

Tháng 2/2024, Thế Anh bắt đầu hành trình nghiên cứu của mình với 3 giai đoạn chính gồm: Thiết kế bộ điều khiển mờ PD, mô phỏng và thực nghiệm trên sản phẩm thật.

Bộ điều khiển mờ PD trong nghiên cứu này chính là "bộ não” của quadrotor, phụ trách chỉ dẫn đường bay dựa trên sai số hiện tại và xu hướng sai số. Bộ điều khiển mờ PD được lựa chọn bởi tính chất linh hoạt, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào mô hình toán học chính xác của hệ thống, từ đó rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế và hiệu chỉnh điều khiển so với phương pháp PD truyền thống.

Trong giai đoạn mô phỏng, Thế Anh thực hiện các thử nghiệm trên quadrotor trong điều kiện không có tải trọng và nhiễu động, kết quả đạt được rất khả quan với hiệu suất bám quỹ đạo cao và sự ổn định tốt.

Đề tài được triển khai thực nghiệm trực tiếp trên thiết bị QDrone của Quanser - Nền tảng UAV chuyên dụng trong nghiên cứu và giáo dục.
 

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy: Bộ điều khiển mờ PD giúp hệ thống đạt độ ổn định cao; Thiết bị có khả năng giữ thăng bằng và bay theo quỹ đạo mong muốn trong điều kiện có nhiễu và tải; Chất lượng điều khiển được cải thiện rõ rệt so với bộ điều khiển PD cổ điển.

Từ góc độ khoa học, đề tài mở rộng phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển mờ trong lĩnh vực robot bay và hệ thống điều khiển tự động, tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo về các thuật toán điều khiển linh hoạt, thích nghi với môi trường thay đổi.

Tháng 5/2025, Nguyễn Thế Anh trình bày kết quả nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ PD cho quadrotor” tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 42 của Đại học Bách khoa Hà Nội, đạt điểm hội đồng cao nhất phân ban Nhà máy thông minh, Robot và Điều khiển thông minh, giành giải Nhất đầy thuyết phục.

Chia sẻ về kế hoạch phát triển tiếp theo của nghiên cứu, Nguyễn Thế Anh bày tỏ: “Tôi sẽ mở rộng thử nghiệm trong môi trường ngoài trời, bổ sung các thuật toán thích nghi nhằm nâng cao khả năng phản ứng của quadrotor trước các điều kiện bất lợi.”

Độc lập nhưng không đơn độc

Khác với nhiều nhóm nghiên cứu, Nguyễn Thế Anh chọn làm nghiên cứu độc lập sản phẩm khoa học đầu tay với mong muốn làm chủ toàn bộ quá trình. Đó là một quyết định không hề dễ dàng, bởi với những đề tài có hàm lượng kỹ thuật cao như điều khiển quadrotor - từ thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng đến thực nghiệm - khối lượng công việc là rất lớn.

“Làm nghiên cứu một mình giúp tôi chủ động và linh hoạt hơn, nhưng đôi khi cũng rất cô đơn khi không có ai để trao đổi hay hỗ trợ trực tiếp.” - Thế Anh tâm sự.

Một trong những thách thức lớn nhất của Nguyễn Thế Anh là việc làm quen với đối tượng nghiên cứu hoàn toàn mới. Trước khi bắt tay vào thiết kế điều khiển, cậu phải tự học cách mô hình hóa quadrotor, hiểu rõ các đặc tính động học của thiết bị - điều mà không phải sinh viên đại học nào cũng có thể thực hiện thành thạo. Thêm vào đó, lý thuyết điều khiển mờ cũng là lĩnh vực Thế Anh chưa từng tiếp xúc. Việc tiếp cận, học từ đầu, rồi ứng dụng một cách có hiệu quả đòi hỏi rất nhiều nỗ lực, sự kiên trì và khả năng tự học cao.

May mắn thay, Thế Anh có sự đồng hành của PGS. Nguyễn Hoài Nam - giảng viên Khoa Tự động hoá, Trường Điện - Điện tử; chủ nhiệm MASC Lab - luôn tận tình định hướng, chỉ dạy giúp Thế Anh vượt qua mọi thử thách và hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đã đề ra.

Thầy Nam đã hỗ trợ Thế Anh từ những bước đầu định hướng đề tài, giúp cậu sinh viên hoàn thiện ý tưởng thiết kế bộ điều khiển, hướng dẫn Thế Anh các phương pháp mô phỏng và phân tích kết quả.

Đặc biệt, các phương pháp thực hiện trong đề tài hầu hết được Thế Anh học theo cuốn sách “Điều khiển mờ và mạng nơ ron” do PGS. Nguyễn Hoài Nam làm chủ biên, đóng vai trò rất quan trọng trong việc hoàn thiện nghiên cứu.
 

Những đêm phải vật lộn với thuật toán, những lần mô hình bay lệch hoàn toàn và cả những lúc kết quả thực nghiệm không như kỳ vọng đều trở thành bài học quý giá cho hành trình nghiên cứu chuyên sâu sau này của cậu sinh viên Bách khoa Hà Nội.

“Làm nghiên cứu khoa học giúp tôi hiểu rằng thất bại là một phần tự nhiên của quá trình học hỏi. Khoa học dạy tôi tính kỷ luật, sự kiên nhẫn và cách tư duy có hệ thống - điều rất cần thiết trong bất kỳ lĩnh vực nào tôi theo đuổi sau này.” – Nguyễn Thế Anh chia sẻ.

Khi được hỏi về lời khuyên cho các hậu bối Bách khoa muốn bắt đầu làm nghiên cứu khoa học, Nguyễn Thế Anh chân thành bày tỏ: “Hãy chọn điều mình thực sự hứng thú, kiên trì, tích cực học hỏi từ thầy/cô, bạn bè và từ thất bại của chính mình. Nghiên cứu là hành trình của sự thử - sai, nhưng mỗi lần sai là một lần học được điều mới!”.