Luận văn Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN NGHĨA ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 9 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN NGHĨA ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN– 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM VĂN NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 / 05 / 1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tp. Quảng Ngãi, Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 117, đƣờng Đình Phong Phú, Phƣờng Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, Tp. HCM Điện thoại riêng: 0983.996.008 E-mail: nghiaspkt08@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 07/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống BMS cho một phần trung tâm điều trị theo yêu cầu và quốc tế - Bệnh viện TW Huế. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT Tp.HCM. Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. NGUYỄN PHAN THANH. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty cổ phần công nghiệp 10/2012 – 5/2014 Kỹ sƣ lập trình APC 6/2014–12/ 2014 Trƣờng ĐH. SPKT Trợ giảng Giảng viên Bộ Môn Điện 01/2015 - Nay Trƣờng CĐKT Cao Thắng Công Nghiệp Trang i
4. LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trang ii
5. LUẬN VĂN THẠC SĨ CẢM TẠ Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã thực hiện xong luận văn thạc sĩ đƣợc giao. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, cán bộ công nhân viên nhà trƣờng đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cao hoc. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Khoa Điện – Điện Tử, các Quý Thầy Cô đã tận tình hƣớng dẫn cho tôi những kiến thức quý báu nhƣ ngày hôm nay. Những kiến thức ấy không chỉ cần trong công việc chuyên môn mà còn là bài học thiết thực giúp tôi hoàn thiện nhân cách của mình. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu này. Cảm ơn gia đình và những ngƣời thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Cuối cùng, tôi xin kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để hoàn thành tốt công việc trong sự nghiệp giảng dạy của mình. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực hiện luận văn Phạm Văn Nghĩa Trang iii
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Mô hình quadrotor đƣợc thiết kế bởi 4 cánh quạt đƣợc gắn trên 4 động cơ nằm ở 4 góc của một khung chữ thập đƣợc gọi là thiết bị bay không ngƣời lái UAVs. Quadrotor là một trong những loại thiết bị bay đƣợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực thăm dò, thƣơng mại và các ứng dụng ngoài trời. Tuy nhiên, để kiểm soát ổn định hay điều khiển quadrotor là rất khó khăn bởi vì quadrotor là một hệ thống phi tuyến. Trong luận văn, mô hình toán học của quadrotor đƣợc trình bày một cách chi tiết. Các phƣơng trình động học và động lực học của quadrotor đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp Newton-Euler. Sự chuyển động của quadrotor có thể đƣợc chia thành hai hệ thống con: hệ thống góc xoay (các góc nghiêng (roll), góc lật (pitch), góc xoay (yaw)) và một hệ thống dịch chuyển (độ cao Z, và vị trí X, Y). Trong luận văn này, tác giả trình bày một phƣơng pháp thiết kế luật điều khiển là phƣơng pháp trƣợt. Chúng ta sẽ quan tâm đến mô hình vật lý phức tạp của quadrotor. Đối với mô hình quadrotor trong luận văn này, ta tiến hành thiết kế một bộ điều khiển trƣợt ổn định và chính xác để thực hiện việc điều khiển quadrotor là tốt nhất. Để ổn định hệ thống trên thì mỗi chế độ điều khiển trƣợt đƣợc thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Ƣu điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt là không nhạy cảm với sự biến đổi của những thông số trong hệ thống, ở ngoài trạng thái động và những điểm lỗi. Trang iv
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT Four rotor micro aerial robots, so called quadrotor UAVs, are one of the most preferred type of unmanned aerial vehicles for near-area surveillance and exploration both in military and commercial in- and outdoor applications. The reason is the very easy construction and steering principle using four rotors in a cross configuration. However, stabilizing control and guidance of these vehicles is a difficult task because of the nonlinear dynamic behavior. This thesis work presents a detailed mathematical model for quadrotor. The nonlinear dynamic model of the quadrotor is formulated using the Newton-Euler method. The motion of the quadrotor can be divided into two subsystems; a rotational subsystem (roll, pitch, yaw) and a translational subsystem (altitude and x and y motion). This thesis work presents a design method for attitude control of an autonomous quadrotor based Sliding Mode Control. We are interested in the dynamic modeling of quadrotor because of it complexity. The dynamic model is used to design a stableand accurate controller to perform the best tracking and attitude results. To stabilize the overall systems, each Sliding Mode Controller is designed based on the Lyapunov stability theory. The advantage of sliding mode control is its not being sensitive to model errors, parametric uncertainties and other disturbances. Lastly, we show that the control law has a good robust and good stability. Trang v
8. LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC KÝ HIỆU x DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xvi CHƢƠNG 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật 2 1.2.1. Lịch sử phát triển quadrotor 2 1.2.2. Công trình liên quan nổi bật 4 1.2.2.1. Mô hình Mesicopter 5 1.2.2.2. X4-flyer (ANU) 5 1.2.2.3. MD4-200 (microDrones GmbH) 6 1.2.3. Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor 6 1.3. Mục đích nghiên cứu 7 1.4. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu 7 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 9 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 9 1.6.1. Ý nghĩa khoa học 9 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn 9 1.7. Tóm lƣợc nội dung luận văn 10 CHƢƠNG 2 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quadrotor 11 2.1.1. Cấu tạo quadrotor 11 2.1.2. Nguyên lý hoạt động quadrotor 11 Trang vi
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.1.2.1. Trạng thái lơ lửng (Hover) 13 2.1.2.2. Trạng thái bay lên xuống (Throttle) 13 2.1.2.3. Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) 14 2.1.2.4. Trạng thái lật trƣớc / sau ( Pitch ) 15 2.1.2.5. Trạng thái xoay qua trái / phải (Yaw) 15 2.2. Mô hình hóa quadrotor 16 2.2.1. Tổng quan về hệ quy chiếu trên thân quadrotor 16 2.2.2. Động học quadrotor 18 2.2.2.1. Ma trận xoay R 19 2.2.2.2. Ma trận tịnh tiến퐓횯 20 2.2.2.3. Ma trận tổng quát 퐉횯 21 2.2.2.4. Mối liên hệ giữa các vector động học quadrotor trong các hệ tọa độ 21 2.2.3. Động lực học quadrotor 22 CHƢƠNG 3 30 XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 30 3.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển trƣợt 30 3.1.1. Đặc điểm điều khiển trƣợt 30 3.1.2. Nguyên lý điều khiển trƣợt 32 3.1.2.1. Điều khiển trƣợt bám 32 3.1.2.2. Ổn định hóa (regulation). 36 3.2. Xây dựng luật điều khiển trƣợt cho mô hình quadrotor 38 3.2.1. Luật điều khiển góc 40 3.2.1.1. Luật điều khiển góc nghiêng roll 41 3.2.1.2. Luật điều khiển góc lật pitch 41 3.2.1.3. Luật điều khiển góc xoay yaw 42 3.2.2. Luật điều khiển độ cao 42 3.3. Mô phỏng quadrotor bằng phần mền Matlab 43 3.3.1. Xây dựng mô hình quadrotor trong Simulink 43 3.3.1.1. Thông số mô hình quadrotor 43 3.3.1.2. Sơ đồ khối quadrotor 46 3.3.1.3. Khối quadrotor Dynamics 47 3.3.1.4. Khối System Input Calculation 47 3.3.1.5. Khối Motor Speed Caculation. 48 Trang vii
10. LUẬN VĂN THẠC SĨ 3.3.1.6. Luật điều khiển U1 48 3.3.1.7. Luật điều khiển U2 , U3, U4 49 3.3.2. Kết quả mô phỏng 49 3.3.2.1. Thông số mong muốn trƣờng hợp tổng quát 49 3.3.2.2. Thông số mong muốn bảng 3.3 ( quadrotor ở trạng thái lơ lửng ) 56 3.3.2.3. Thông số mong muốn bảng 3.4 ( quadrotor ở trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất) 63 3.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng 71 CHƢƠNG 4 72 THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR 72 4.1. Sơ đồ khối tổng thể quadrotor 72 4.2. Thành phần trong các khối 73 4.2.1. Khung quadrotor 73 4.2.2. Động cơ điều khiển quadrotor (Brushless motor) và bộ ESC 76 4.2.3. Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 79 4.2.4. Vi điều khiển STM32F4 DISCOVERY 82 4.2.5. Pin LIPO 83 4.2.6. Tay cầm FS – T6 và bộ thu FS – R6B 84 4.3. Sơ đồ kết nối phần cứng. 86 4.4. Thử nghiệm mô hình quadrotor 88 4.4.1. Giải thuật điều khiển quadrotor 88 4.4.1.1. Lƣu đồ giải thuật điều khiển quadrotor 88 4.4.1.2. Giải thuật điều khiển trên ARM 90 4.4.2. Giao diện giám sát quadrotor 90 4.4.3. Kết quả thử nghiệm mô hình quadrotor 94 4.4.4. Đánh giá mô hình quadrotor 96 4.4.4.1. Độ cao và tốc độ của quadrotor 97 4.4.4.2. Góc nghiêng 98 4.4.4.3. Tốc độ đáp ứng và khả năng giao tiếp giữa quadrotor với tay cầm 98 CHƢƠNG 5 99 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 99 5.1. Kết quả đạt đƣợc 99 Trang viii
11. LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.2. Những hạn chế chƣa đạt đƣợc và hƣớng khắc phục 100 5.3. Hƣớng phát triển đề tài 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC 1 103 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 103 1. Khai báo, khởi tạo biến và thiết lập thông số cho vi điều khiển hoạt động 103 2. Chƣơng trình đọc tín hiệu từ bộ nhận sóng RF 104 3. Chƣơng trình đọc tín hiệu từ cảm biến và xử lý tín hiệu từ cảm biến 104 4. Thuật điều khiển trƣợt điều khiển quadrotor 105 Trang ix
12. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả X m Vị trí dài theo trục xE Y m Vị trí dài theo trục yE Z m Vị trí dài theo trục zE 휙 rad Góc roll (xoay quanh trục X) 휃 rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) 휓 rad Góc yaw (xoay quanh trục Z) m/s Vận tốc dài theo trục xB 푣 m/s Vận tốc dài theo trục yB 푤 m/s Vận tốc dài theo trục zB rad/s Vận tốc góc theo trục xB 푞 rad/s Vận tốc góc theo trục yB rad/s Vận tốc góc theo trục zB 휞 m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E 훩 rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E 홑 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E 홑 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B 흎 rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B 흃 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E 흑 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B 휻 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H 휦 - Vector lực tổng quát 푭 N Vector lực theo hệ quy chiếu E 푭 N Vector lực theo hệ quy chiếu B 푭 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E 푭 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B 푮 (흃) - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B 푮 - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H Trang x
13. LUẬN VĂN THẠC SĨ 푈 - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B 푈1 N Lực nâng theo hệ quy chiếu B 푈2 Nm Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B 푈3 Nm Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B 푈4 Nm Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B 흉 Nm Moment xoắn theo hệ quy chiếu B 퐑Θ - Ma trận xoay 퐓Θ - Ma trận tịnh tiến 퐉Θ - Ma trận tổng quát 푬 - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B 푬 (흃) - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H 푴 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B 푴 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H 푶 (흑) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B 푶 (휻) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H 푪 (흑) - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B 푪 (휻) - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H 훺 rad/s Vector tốc độ cánh quạt 훺1 rad/s Tốc độ cánh quạt trƣớc 훺2 rad/s Tốc độ cánh quạt phải 훺3 rad/s Tốc độ cánh quạt sau 훺4 rad/s Tốc độ cánh quạt trái m kg Khối lƣợng của quadrotor 2 IXX kg.m Mô men quán tính theo trục X 2 IYY kg.m Mô men quán tính theo trục Y 2 IZZ kg.m Mô men quán tính theo trục Z l m Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động cơ Nm/N Hệ số tỷ lệ giữa mô men động cơ và lực động cơ Trang xi
14. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Breguet – Richet Gyroplane No 1 Trang 2 Hình 1.2. Quadrotor của Etienne Oemichen. Trang 3 Hình 1.3. Bạch tuột bay Trang 3 Hình 1.4. Draganflyer X-Pro Trang 4 Hình 1.5. Mô hình Mesicopter Trang 5 Hình 1.6. X4-flyer (ANU) Trang 5 Hình 1.7. MD4-200 (microDrones GmbH) Trang 6 Hình 2.1. Mô hình quadrotor Trang 11 Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của quadrotor Trang 12 Hình 2.3. Hệ trục tọa độ đặt trên quadrotor Trang 12 Hình 2.4. Trạng thái lơ lửng (Hover) Trang13 Hình 2.5. Trạng thái bay lên / xuống ( Throttle ) Trang14 Hình 2.6. Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) Trang14 Hình 2.7. Trạng thái lật trước / sau ( Pitch ) Trang15 Hình 2.8. Trạng thái xoay trái / phải ( Yaw ) Trang16 Hình 2.9: Vị trí dài và vị trí góc của quadrotor Trang17 Hình 2.10. Hệ quy chiếu quán tính và vật thể (Kivrak, A, 2006) Trang18 Hình 2.11. Lực và moment tác động lên quadrotor Trang22 Hình 3.1. Trạng thái quỹ đạo trong điều khiển trượt Trang31 Hình 3.2. Quỹ đạo pha lý tưởng của hệ bậc 2 chuyển động trên mặt phẳng trượt về gốc tọa độ Trang31 Hình 3.3. Quỹ đạo pha thực tế dao động Trang 35 Hình 3.4. Sơ đồ khối luật điều khiển góc quadrotor Trang 40 Hình 3.5. Sơ đồ khối luật điều khiển độ cao quadrotor Trang 42 Hình 3.6. Sơ đồ khối quadrotor Trang 46 Hình 3.7.Khối quadrotor Dynamics Trang 47 Hình 3.8.Khối System Input Calculation Trang 47 Hình 3.9.Khối System Input Calculation Trang 48 Hình 3.10.Luật điều khiển U1 Trang 48 Trang xii
15. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.11.Luật điều khiển U2, U3, U4 Trang 49 Trường hợp tổng quát(Từ hình 3.12 đến 3.23) Hình 3.12.Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.13.Đáp ứng góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.14.Mặt trượt góc Pitch Trang 51 Hình 3.15.Đáp ứng góc lật Pitch Trang 51 Hình 3.16.Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.17.Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.18.Mặt trượt độ cao z Trang 53 Hình 3.19.Đáp ứng góc độ cao z Trang 53 Hình 3.20.Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 54 Hình 3.21.Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 54 Hình 3.22.Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor. Trang 55 Hình 3.23.Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor. Trang 56 Trạng thái lơ lửng (Từ hình 3.24 đến 3.35) Hình 3.24. Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 57 Hình 3.25. Đáp ứng góc Roll Trang 57 Hình 3.26. Mặt trượt góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.27. Đáp ứng góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.28. Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.29. Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.30. Mặt trượt độ cao z Trang 60 Hình 3.31. Đáp ứng góc độ cao z Trang 60 Hình 3.32. Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 61 Hình 3.33. Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 61 Hình 3.34. Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 62 Hình 3.35. Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 63 Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất(Từ hình 3.36 đến 3.47) Hình 3.36. Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 64 Hình 3.37. Đáp ứng góc Roll Trang 64 Hình 3.38. Mặt trượt góc lật Pitch Trang 65 Trang xiii
16. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.39. Đáp ứng góc lật Pitch Trang 65 Hình 3.40. Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.41. Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.42. Mặt trượt độ cao z Trang 67 Hình 3.43. Đáp ứng góc độ cao z Trang 67 Hình 3.44. Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 68 Hình 3.45. Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 69 Hình 3.46. Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 70 Hình 3.47. Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 70 Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể quadrotor Trang 73 Hình 4.2. Khung quadrotor Tarot Iron man 650 TI65B01 Trang 75 Hình 4.3. Cánh quạt RC Timer 14*5.5’’ Carbon Prop Set (2XCW,2XCCW) Trang 75 Hình 4.4. Motor Sunny Sky X3508S_29 Trang 76 Hình 4.5. Mô hình động cơ không chổi than Trang 78 Hình 4.6. ESC Platinum 30AOPTO-PRO Trang 78 Hình 4.7. Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 Trang 80 Hình 4.8. Sơ đồ chân MPU 9150 Trang 80 Hình 4.9. Bo mạch STM32F4 Discovery. Trang 82 Hình 4.10. Pin LIPO TURNIGY Trang 83 Hình 4.11. Tay cầm Flysky FS – T6 Trang 84 Hình 4.12. Bộ thu Flysky FS – R6B Trang 85 Hình 4.13. Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor Trang 86 Hình 4.14. Sơ đồ kết nối phần cứng của quadrotor. Trang 87 Hình 4.15. Lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình quadrotor. Trang 89 Hình 4.16. Giao diện phần mềm STMStudio. Trang 91 Hình 4.17. Giao diện giám sát góc quadrotor khi quadrotor cân bằng. Trang 91 Hình 4.18. Các góc quadrotor trong trường hợp nghiêng góc Roll Trang 92 Hình 4.19. Các góc quadrotor trong trường hợp lật góc Pitch. Trang 92 Hình 4.20. Các góc quadrotor trong trường hợp xoay góc Yaw Trang 93 Trang xiv
17. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.21. Các góc quadrotor trong trường hợp tổng quát Trang 93 Hình 4.22. Quadrotor trong trạng thái chuẩn bị bay Trang 94 Hình 4.23. Quadrotor trong trạng thái vừa cất cánh Trang 95 Hình 4.24. Quadrotor trong trạng thái giữ lơ lửng trong không trung Trang 95 Hình 4.25. Quadrotor trong trạng thái bay trong không trung Trang 96 Trang xv
18. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1. Thông số vật lý của mô hình quadrotor Trang 43 Bảng 3.2. Thông số mong muốn của mô hình trường hợp tổng quát Trang 49 Bảng 3.3. Thông số mong muốn của mô hình_2 (Trạng thái lơ lửng) Trang 56 Bảng 3.4. Thông số mong muốn của mô hình_3 (Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất). Trang 63 Trang xvi
19. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Lịch sử đã trải qua nhiều giai đoạn cách mạng khoa học kỹ thuật. Đi kèm với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, thiết bị bay không ngƣời lái UAV(Unmanned Arial Vehicle) đã đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ bởi các tính năng ƣu việt nhƣ: có khả năng hoạt động tự động hoặc điều khiển từ xa, hoạt động những nơi mà con ngƣời khó có thể tiếp cận. UAV còn đƣợc biết đến nhiều hơn bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ khác nhau đƣợc thiết kế và đƣa vào thực tế. Ngoài ra các ứng dụng khác của UAV cũng đƣợc quan tâm nhƣ quan sát núi lửa, kiểm tra môi trƣờng, gieo trồng, bảo dƣỡng thiết bị, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp Quadrotor chính là một thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa hoạt động rất linh hoạt. Quadrotor là một thiết bị bay độc đáo, đƣợc thiết kế với 4 cánh quạt tạo nên một lực nâng lớn cho quadrotor. Chính vì thế, mô hình quadrotor sẽ là đề tài cần đƣợc quan tâm và đi vào nghiên cứu. Với một mô hình quadrotor nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt, chúng ta có thể sử dụng để phục vụ cho lợi ích của con ngƣời. Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức lớn trong phƣơng pháp điều khiển. Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển tốt trong nhiều điều kiện thì cần bỏ ra rất nhiều thời gian thiết kế và thử nghiệm, kèm theo sử dụng những cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp. Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm quadrotor thì đòi hỏi ngƣời thực hiện phải nắm đƣợc lý thuyết vững chắc kết hợp với nhiều kinh nghiệm thực tế. Từ những vấn đề cấp thiết trên, học viên muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán của quadrotor và từ đó tiến hành thiết kế và thi công mô hình bay thực tế. Học viên đã chọn đề tài: “Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt” là đề tài nghiên cứu. Trang 1
20. LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2. Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật 1.2.1. Lịch sử phát triển quadrotor Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do hai anh em nhà khoa học ngƣời Pháp Charles Richet và Charles Breguet chế tạo. Nó mang tên là “Breguet – Richet Gyroplance No 1”hình 1.1. Yêu cầu của chiếc quadrotor này là có thể rời khỏi mặt đất với một phi công. Quadrotor đƣợc điều khiển bởi một động cơ 8 xi lanh đƣợc sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li đƣợc gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho cánh quạt. Bộ khung của chiếc quadrotor này đƣợc làm từ các ống thép. Tổng trọng lƣợng của nó vào khoảng 500kg. Lần thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai – Pháp vào năm 1907. Nó có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5m. Hình 1.1. Breguet – Richet Gyroplane No 1 Đến năm 1920, Etienne Oemichen đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy hình 1.2. Ban đầu, nó đƣợc gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu. Sau đó, nó không bao giờ đƣợc sử dụng nữa. Trang 2
21. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.2. Quadrotor của Etienne Oemichen. Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra, nó còn đƣợc gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc quadrotor này đƣợc đặc tên là “Bạch tuột bay” nhƣ hình 1.3. Nhƣng dự án này bị hủy bỏ vì khả năng bay thấp, giá thành cao. Hình 1.3. Bạch tuột bay Từ đó, quadrotor không còn đƣợc chú ý nhƣ trƣớc. Cho đến những năm 1980, quadrotor lại đƣợc quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và giá thành thấp. Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng sáng chế Draganfly là một trong những chiếc quadrotor thƣơng mại điều khiển sóng Radio nhƣ hình 1.4. Nó đƣợc trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực Trang 3
22. S K L 0 0 2 1 5 4