Ngày nay, công nghệ tránh va chạm và phát hiện chướng ngại vật của máy bay không người lái đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Ngành công nghiệp này được dự đoán sẽ đạt 11,2 tỷ đô la vào năm 2020 và được coi là một mối quan tâm thực sự đối với người dùng thương mại và khách hàng công nghiệp trong các thập kỷ tới. Do máy bay không người có kết cấu khung nhẹ nên chúng không thể chịu được các va chạm mạnh và thường chi phí sửa chữa rất tốn kém. Từ thực trạng này, các kỹ sư đã đưa ra giải pháp về công nghệ tránh va chạm dành cho máy bay không người lái và được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới.
Những nguyên lý cơ bản trong công nghệ tránh va chạm của máy bay không người lái
Để tránh va chạm đối với máy bay không người lái, trước tiên cần có hình ảnh chính xác về vị trí của máy bay không người lái so với các chướng ngại vật tĩnh và động được xác định từ trước. Tuy nhiên chúng ta cần lưu ý rằng các công nghệ định vị cho máy bay không người lái ngoài trời hiện nay như vệ tinh định vị toàn cầu GPS thường có tín hiệu không chính xác. Do đó, một số chướng ngại vật nhỏ như tòa nhà, cây cối hoặc các nhánh cây có thể cản trở tín hiệu GPS. Điều thứ hai cần lưu ý đối với công nghệ tránh va chạm của máy bay không người lái, chúng là một bước quan trọng trên con đường hướng tới máy bay thông minh nhưng chúng không phải là giải pháp bay hoàn toàn tự động. Do đó, chúng bao gồm một loạt các cảm biến có độ phân giải cao với tốc độ làm mới nhanh để cung cấp dữ liệu cho hệ thống điều khiển bay. Trên thực tế, nó có thể hỗ trợ phi công ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào thông số kỹ thuật và hạn chế của công nghệ. Hiện nay, trên thị trường thường có một số công nghệ cảm biến tránh va chạm đốivới máy bay không người lái như hồng ngoại, LiDAR, tầm nhìn đơn mắt (Monocular vision), tầm nhìn lập thể (Stereo vision), thời gian bay (Time-of-flight ToF)...
Mô hình hoạt động của hệ thống tránh va chạm trong máy bay không người lái
Tính đến thời điểm hiện tại, nguyên lý hoạt động các công nghệ này đãthay đổi đáng kể và một trong những phương pháp được ưa chuộng là kết hợp LiDAR với cảm biến thời gian bay. Trong một cấu trúc thông thường thì hai hệ thống cảm biến riêng biệt được tích hợp vào thiết bị điện tử điều khiển bay để tránh va chạm, bao gồm một cảm biến thời gian bay duy nhất được gắn vào đáy máy bay không người lái, nó hoạt động như một máy đo độ cao chính xác để duy trì độ cao không đổi, và một mảng cảm biến thời gian bay LiDAR đa hướng cung cấp khả năng giám sát vị trí lên đến 360°. Các hệ thống tích hợp này cho phép máy bay không người lái điều chỉnh vị trí của nó một cách chi tiết mà không cần bay lên hoặc xuống do độ cao và độ lăn. Điều này là do cảm biến thời gian bay hoạt động như một máy đo độ cao giữ UAV ở độ cao cố định, với sự hỗ trợ của phần mềm lái tự động nhờ lực đẩy theo phương thẳng đứng được điều chỉnh tự động để duy trì độ cao mong muốn. Trong khi đó, vị trí ngang của máy bay không người lái được điều chỉnh bởi mảng LiDAR đa hướng để thu thập dữ liệu khoảng cách khác nhau. Cảm biến tiệm cận liên tục phản hồi về máy đo gia tốc bên trong giúp giảm tốc độ của UAV để tránh các vật thể tĩnh hoặc động đi vào trường nhìn toàn diện này.
Thách thức và tương lai của công nghệ tránh va chạm trong máy bay không người lái
Trên thế giới ngày nay, những công nghệ về tránh va chạm trong máy bay không người lái đã được nghiên cứu và phát triển ở rất nhiều quốc gia, tuy nhiên công nghệ này vẫn đối mặt với nhiều thách thức và đang không ngừng phát triển để ngày một tốt hơn. Một trong những rào cản lớn nhất hiện tại là chi phí đầu tư cao đối với các hệ thống cảm biến cao cấp như LiDAR mặc dù giá đang có xu hướng giảm dần. Bên cạnh đó, việc xử lý một lượng lớn dữ liệu theo thời gian thực từ nhiều cảm biến khác nhau đòi hỏi việc tính toán một cách chính xác, điều này sẽ dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng cao và có thể ảnh hưởng đến thời gian bay của máy bay không người lái. Ngoài ra, trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt như mưa lớn, tuyết, sương mù hoặc bụi dày có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của nhiều loại cảm biến và gây khó khăn cho việc bay an toàn. Hơn nữa, việc đối phó với các vật thể không xác định hoặc bất ngờ như chim, côn trùng lớn hay mảnh vỡ bay trong không khí vẫn là một thử thách lớn đối với các thuật toán hiện tại. Về mặt pháp lý, các quy định liên quan đến việc bay tự động và công nghệ tránh va chạm vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà phát triển công nghệ và cơ quan quản lý.
Nhìn về tương lai, các xu hướg sắp tới sẽ định hình sự phát triển tiếp theo của công nghệ này. Chúng ta có thể mong đợi sự ra đời của các loại cảm biến nhỏ gọn và có giá thành phải chăng hơn để cho phép tích hợp rộng rãi vào các mẫu máy bay không người lái khác nhau. Bên cạnh đó, các thuật toán trí tuệ nhân tạo và học sâu sẽ tiếp tục được cải thiện để giúp máy bay không người lái nhận diện, phân loại đối tượng và dự đoán chuyển động của chúng một cách chính xác hơn. Cùng với đó, khả năng kết nối và hợp tác giữa nhiều máy bay không người lái khác nhau trong một mạng lưới sẽ mở ra những ứng dụng mới, nơi các máy bay có thể chia sẻ thông tin về môi trường để cùng nhau tránh va chạm và tối ưu hóa tuyến đường. Thông qua việc sử dụng Digital Twins và các hệ thống mô phỏng tiên tiến sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc huấn luyện và kiểm tra các hệ thống tránh va chạm trong hàng ngàn kịch bản đa dạng nhằm đẩy nhanh quá trình phát triển và hoàn thiện công nghệ.
