Luận văn Điều khiển ổn định hóa quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển ổn định hóa quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID (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 ĐÌNH NGÃI ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 7 6 0 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 ĐÌNH NGÃI ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 520202 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 ĐÌNH NGÃI Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 1989 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Tân Hộ Cơ – Tân Hồng - Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 15/6, Đƣờng 6, P. Thạnh Mỹ Lợi, Quận 2. Điện thoại riêng: 0974.038.946 E-mail: dinhngaipham@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: Nghiên cứu và thi công tủ điều khiển bộ khởi động mềm ASTAT – XT của GE. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. TRẦN QUANG THỌ III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 07/2012 – 04/2015 Công ty SVProbe Việt Nam Kỹ Sƣ Thiết Kế Giảng viên Bộ Môn Điện 04/2015 - 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 Xin cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM cùng quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt quá trình học cao hoc. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cám 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 nghiên cứu đề tài này. Cám ơn lãnh đạo Khoa Điện - Điện Tử và quý Thầy Cô trong khoa đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài này. Cám ơn tất cả các bạn trong khoá học, những ngƣời cùng chung chí hƣớng trong con đƣờng tri thức để tất cả chúng ta có đƣợc kết quả ngày hôm nay. Cảm ơn gia đình và những ngƣời thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Xin trân trọng gửi lòng tri ân và cảm ơn quý Thầy Cô Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực hiện luận văn Phạm Đình Ngãi Trang iii
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Quadrotor là một thiết bị bay không ngƣời lái, có cấu tạo đơn giản, gồm 4 động cơ có 4 cánh quạt đƣợc gắn ở phía cuối của một khung hình chữ thập. Một UAV quadrotor có những ƣu điểm nổi bật nhƣ hoạt động linh hoạt, có thể giữ ổn định ở một vị trí trong không gian tốt, cất cánh, bay, và đáp tại khu vực nhỏ, và điều khiển đơn giản. Trong luận văn, mô hình toán học của quadrotor đƣợc trình bày một các chi tiết. Các phƣơng trình động học và động lực học của quadrotor đƣợc xây dựng bằng cách sử dụng 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). Bộ điều khiển mờ PID đƣợc thiết kế và xây dựng trên mô hình mô phỏng để điều khiển quadrotor. Bộ điều khiển mờ PD gồm có 2 đầu vào là sai lệch giữa tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu ra và tốc độ thay đổi của sai lệch đó. Các yếu tố đầu vào là các giá trị đặt của chiều cao Z, vị trí X, Y và góc xoay (yaw). Các kết quả đầu ra là lực khí động cần thiết của mỗi cánh quạt để đạt đƣợc các thông số kỹ thuật mong muốn. Bộ điều khiển mờ đã đƣợc phát triển và xây dựng trên Fuzzy Logic Toolbox của Matlab. Các kết quả mô phỏng cho thấy tính khả thi của bộ điều khiển logic mờ PID và sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm. Trang iv
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT A quadrotor is an unmanned air vehicle which has four rotors located at the ends of a cross frame. A quadrotor UAV which can be highly maneuverable, has the potential to hover and to take off, fly, and land in small areas, and can have simple control mechanisms. 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). Fuzzy PID controler is designed and implemented to control a simulation model of the quad rotor. Each of the controllers works with the error and derivative of error. The inputs are the desired values of the yaw, X, Y and height. The outputs are the power of each of the four rotors that is necessary to reach the desired specifications. Fuzzy PID controllers have been developed and implemented with the Fuzzy Logic Toolbox of Matlab. The simulation results able to show the efficiency of the Fuzzy logic PID control strategy and then compared with the experimental results. 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 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan 1 1.2.1. Các công trình liên quan nổi bật 2 1.2.1.1. Draganflyer X-Pro (Draganfly) 2 1.2.1.2. Phantom FC40 3 1.2.1.3. MD4-200 (microDrones) 3 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor hiện có 5 1.3. Phạm vi nghiên cứu 6 1.4. Tóm lƣợc nội dung luận văn 7 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 2.1. Cấu tạo và lý thuyết điều khiển quadrotor 8 2.1.1. Cấu tạo quadrotor 8 2.1.2. Lý thuyết điều khiển quadrotor 8 2.2. Mô hình hóa quadrotor 12 2.2.1. Định nghĩa hệ quy chiếu 13 Trang vi
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.2.2. Động học quadrotor 14 2.2.3. Động lực học quadrotor 15 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 23 3.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ PID 23 3.2. Xây dựng luật điều khiển 25 3.2.1. Bộ điều khiển và 28 3.2.2. Bộ điều khiển và 28 3.2.3. Bộ điều khiển 29 3.2.3. Bộ điều khiển 29 3.3. Mô hình Simulink mô phỏng bộ điều khiển 30 3.3.1. Trƣờng hợp không có tác động nhiễu 30 3.3.2. Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc xoay Psi 34 3.3.3. Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc trục X 38 CHƢƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR 42 4.1. Hệ thống phần cứng 43 4.1.1. Cảm biến độ nghiêng MPU6000 43 4.1.2. Hệ thống khung, động cơ và ESC 44 4.1.2.1. Hệ thống khung 44 4.1.2.2. Động cơ không chổi than brushless (BLDC) và cánh quạt 45 4.1.2.3. Bộ điều tốc ESC và pin Lipo 47 4.1.3. Hệ thống tay cầm điều khiển 48 4.2. Thiết kế và thi công board mạch điều khiển 50 4.3. Phần mềm giám sát khi bay 52 4.4. Bay thử và đánh giá mô hình 54 4.4.1. Về độ cao 54 4.4.2. Về tốc độ 54 Trang vii
10. LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.4.3. Về giao tiếp với tay cầm 55 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 56 5.1. Những kết quả đạt đƣợc 56 5.2. Những kết quả chƣa đạt đƣợc và biện pháp khắc phục 57 5.3. Hƣớng phát triển của đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Trang viii
11. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả X m Vị trí dài theo trục Y m Vị trí dài theo trục Z m Vị trí dài theo trục rad Góc roll (xoay quanh trục X) rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) rad Góc yaw (xoay quanh trục Z) m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H - Vector lực tổng quát N Vector lực theo hệ quy chiếu E N Vector lực theo hệ quy chiếu B N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B Trang ix
12. LUẬN VĂN THẠC SĨ N Lực nâng theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn theo hệ quy chiếu B - Ma trận xoay - Ma trận tịnh tiến - Ma trận tổng quát - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H rad/s Vector tốc độ cánh quạt rad/s Tốc độ cánh quạt trƣớc rad/s Tốc độ cánh quạt phải rad/s Tốc độ cánh quạt sau 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 x
13. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Draganflyer X-Pro 2 Hình 1.2: Phantom FC40 3 Hình 1.3: Mô hình MD4-200 4 Hình 2.1: Mô hình quadrotor 8 Hình 2.2: Góc xoay roll, pitch, yaw của quadrotor 9 Hình 2.3: Hover 9 Hình 2.4: Throttle 10 Hình 2.5: Roll 10 Hình 2.6: Pitch 11 Hình 2.7: Yaw 11 Hình 2.8: Hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu vật thể 13 Hình 2.9: Lực và moment tác động lên quadrotor 15 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ PD 24 Hình 3.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 24 Hình 3.3: Thứ tự điều khiển 26 Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ quadrotor 26 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mờ quadrotor 27 Hình 3.6: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển X và Y 28 Hình 3.7: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển X và Y 28 Hình 3.8: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển và 28 Hình 3.9: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển và 29 Hình 3.10: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển 29 Hình 3.11: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển 29 Hình 3.12: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển 29 Hình 3.13: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển 30 Hình 3.14 : Đáp ứng của đầu ra X 31 Hình 3.15 : Đáp ứng của đầu ra Y 31 Hình 3.16 : Đáp ứng của đầu ra Z 32 Trang xi
14. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.17 : Đáp ứng của đầu ra góc nghiêng roll 32 Hình 3.18 : Đáp ứng của đầu ra góc lật pitch 33 Hình 3.19 : Đáp ứng của đầu ra góc xoay yaw 33 Hình 3.20: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mờ quadrotor 34 với hệ thống nhiễu 34 Hình 3.21 : Đáp ứng của đầu ra X 35 Hình 3.22: Đáp ứng của đầu ra Y 35 Hình 3.23 : Đáp ứng của đầu ra Z 36 Hình 3.24 : Đáp ứng của đầu ra góc nghiêng roll 36 Hình 3.25 : Đáp ứng của đầu ra góc lật pitch 37 Hình 3.26 : Đáp ứng của đầu ra góc xoay yaw 37 Hình 3.27 : Đáp ứng của đầu ra X 38 Hình 3.28 : Đáp ứng của đầu ra Y 38 Hình 3.29 : Đáp ứng của đầu ra Z 39 Hình 3.30 : Đáp ứng của đầu ra góc nghiêng roll 39 Hình 3.31 : Đáp ứng của đầu ra góc lật pitch 40 Hình 3.32 : Đáp ứng của đầu ra góc xoay yaw 40 Hình 4.1 : Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống phần cứng 42 Hình 4.2: Sơ đồ chân của IC MPU6000 và MPU6050 43 Hình 4.3: Khung quadrotor sử dụng cho mô hình 45 Hình 4.4: Động cơ Emax MT 1804 46 Hình 4.5: Bộ điều tốc ESC HK-SS18A 47 Hình 4.6: Pin LIPO TURNIGY 48 Hình 4.7: Bộ tay cầm Futaba T10J 49 Hình 4.8: Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển 50 Hình 4.9: Board mạch điều khiển thiết kế trên Egale 51 Hình 4.10: Board mạch điều khiển trƣớc lúc hàn linh kiện 51 Hình 4.11: Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor 52 Hình 4.12: Giao diện quản lý góc xoay trong AQ GCS 53 Hình 4.13: Kiểm tra giá trị góc khi đọc tín hiệu từ cảm biến 53 Hình 4.14: Kiểm tra giá trị góc khi đọc tín hiệu từ cảm biến 54 Trang xii
15. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Luật điều khiển chung cho các bộ điều khiển mờ PD 27 Bảng 3.2 : Các thông số mô phỏng của quadrotor 30 Bảng 3.3: Thông số của các giá trị tín hiệu đặt 30 Bảng 3.4: Thông số của các giá trị tín hiệu đặt 34 Bảng 3.5: Thông số của các giá trị tín hiệu đặt 38 Bảng 4.1: Thông số của động cơ BLDC MT 1806 46 Trang xiii
16. LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Các thiết bị bay từ lâu đã là một ngành khoa học hàng đầu đƣợc con ngƣời đầu tƣ phát triển mạnh mẽ. Trong đó các thiết bị bay có ngƣời lái đã có một lịch sử phát triển lâu dài cũng nhƣ đang thống trị trong các ngành hàng không dân dụng và quân sự. Bên cạnh đó các thiết bị bay không ngƣời lái đang mở một hƣớng phát triển mạnh mẽ và dài hạn cho tƣơng lai, và nó cũng đang tỏ ra chiếm ƣu thế rõ rệt trong các lĩnh vực quan sát, do thám, tiếp cận những nơi con ngƣời không đặt chân tới đƣợc Quadrotor là thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa. Ƣu điểm chính của thiết bị là có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt .Các nƣớc phát triển trên thế giới đã đi sâu vào nghiên cứu và phát triển trong khoảng một thập niên gần đây nhƣng ở Việt nam thì thiết bị bay này chỉ bƣớc đầu đƣợc các sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp và thực tế chƣa đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học cũng nhƣ các vấn đề về động học và động lực học. Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm công nghệ thì đòi hỏi ngƣời thực hiện phải nắm đƣợc lý thuyết vững chắc kết hợp với kinh nghiệm thực tế. 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. Từ thực tế cũng chứng minh rằng mô hình quadrotor đƣợc nghiên cứu ở Việt nam hiện nay cũng chỉ là các dự án và các đề tài nghiên cứu chƣa thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế cuộc sống. Từ những vấn đề cấp thiết nêu trên, ngƣời thực hiện đề tài này muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học của quadrotor để từ đó đi đến thiết kế và thi công mô hình bay thực tế trên những cơ sở khoa học vững chắc. 1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan Trên thế giới và cả trong nƣớc đã có rất nhiều trƣờng đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tƣơng tự mô hình Trang 1
17. LUẬN VĂN THẠC SĨ quadrotor của luận văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ƣu hóa kích thƣớc rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mô hình đặt vấn đề về độ vững chắc với thiết kế rất cứng cáp vững vàng bù lại đó là sự nặng nề và tiêu hao năng lƣợng lớn. Mỗi thiết kế đều có đặc điểm riêng tƣơng ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu. 1.2.1. Các công trình liên quan nổi bật Vì tính chất đơn giản trong kết cấu cơ khí và tính linh động trong việc điều khiển cũng nhƣ tiềm năng ứng dụng rất lớn vào thực tế của mô hình này mà quadrotor đã và đang đƣợc nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu phát triển trở thành sản phẩm thƣơng mại. Sau đây tác giả luận văn xin đƣợc giới thiệu một vài sản phẩm điển hình. 1.2.1.1. Draganflyer X-Pro (Draganfly) Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thƣơng mại điều khiển bằng sóng radio. Nó đƣợc trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực thăng thông thƣờng. Khung đƣợc làm bằng ống sợi carbon có trọng lƣợng nhẹ nhƣng đủ bền. X- Pro sử dụng cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Hình 1.1: Draganflyer X-Pro Các thông số kỹ thuật: Có thể nâng đƣợc tối đa 1360g. Đƣợc điều khiển bằng bộ vô tuyến 9 kênh FM (PCM). Trang 2
18. LUẬN VĂN THẠC SĨ Khung bằng carbon. Vận hành bằng pin 6000mAh 14.8V. Thời gian bay 20 phút. Có mang theo camera để gian sát và chụp không ảnh. 1.2.1.2. Phantom FC40 Hình 1.2: Phantom FC40 Phantom FC40 là mô hình quadrotror đƣợc sản xuất bởi hãng DJI. Đƣợc trang bị với những động cơ độc quyền của DJI vận hành êm, mƣợt, ít gây nhiễu lên cảm biến, nâng cao độ ổn định, đồng thời tiêu tốn năng lƣợng ít, kéo dài hơn thời gian thực hiện chuyến bay. Bên cạnh đó khung của Phantom FC40 có độ cứng tốt và độ ổn định cao nhờ sử dụng bộ cân bằng điện tử chuẩn giao tiếp tốc độ cao I2C. 1.2.1.3. MD4-200 (microDrones) MD4-200 là một sản phẩm thƣơng mại nổi tiếng khả năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hoàn hảo, đổi hƣớng không bị mất thăng bằng, kết hợp với camera hoặc 1 máy chụp hình có độ phân giải cao, kèm theo cơ cấu chống rung cho thiết bị ghi hình, những dữ liệu đƣợc mô hình ghi lại rất sắc nét và không bị rung. MD4-200 có thể đƣợc điều khiển bằng remote hoặc bay tự động bằng GPS, thiết bị có thể bay tới độ cao 1000m. Khung của MD4-200 tất cả đều bằng kim carbon vì thế rất nhẹ và chịu va đập tốt, ngoài ra do làm bằng carbon nên khung của MD4-200 hoạt động nhƣ một vỏ bọc có khả năng chống các lại nhiễu điện từ. Trang 3
19. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.3: Mô hình MD4-200 1.2.1.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Ở Việt nam thì thiết bị bay này chỉ bƣớc đầu đƣợc các sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp và thực tế chƣa đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học cũng nhƣ các vấn đề về động học và động lực học. Năm 2009, công trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” do kỹ sƣ Lê Công danh, giảng viên Khoa Cơ Khí trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.HCM làm chủ nhiệm, kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy là ngƣời nghiên cứu chính, đã đƣợc nghiệm thu tại Sở Khoa Hoc – Công Nghệ Tp.HCM. Để đảm bảo độ nhẹ của mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật lieuj là nhôm và sợi carbon để chế tạo khung máy bay. So với các máy nay mô hình đang bán trên thị trƣờng, sản phẩm này có mạch điện điều khiển phức tạp hơn, giúp ngƣời sử dụng dễ dàng điều khiển hơn, ngƣời chƣa sử dụng bao giờ cũng có thể điều khiển đƣợc. Trong năm 2010, từ thành công của kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy. Việc chế tạo quadrotor đã trở thành trào lƣu lớn trong các nhóm chơi máy bay mô hình. Kết quả là nhiều máy bay quadrotor đã bay lên thành công từ những ngƣời đam mê mô hình. Tuy nhiên, do hệ thống cảm biến chỉ dùng gryoscope đo chuyển động theo 3 trục, không có cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy ra hiện tƣợng “trôi”, khả năng bay của mô hình vẫn phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm của ngƣời điều khiển. Trang 4
20. LUẬN VĂN THẠC SĨ Ở các trƣờng đại học, nhiều sinh viên năm 3-4 đã chọn quadrotor làm đề tài nghiên cứu, thoã mãn nhu cầu học tập của mình. Tuy nhiên, kết quả của những đồ án náy vẫn chƣa đƣợc mỹ mãn. Do những khó khăn và hạn chế nhƣ thời gian tiếp xúc, nghiên cứu, tìm hiểu ngắn, thiếu kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị bay nên vẫn còn những tồn tại sinh viên chƣa khắc phục đƣợc. Hiện tại cẫn còn một số đề tài mà mô hình chƣa bay lên thành công. Điển hình nhƣ nhóm sinh viên ngành Cơ Điện Tử trƣờng ĐH Công Nghiệp Hà Nội đã không khắc phục đƣợc vấn đề nhiễu của cảm biến gia tốc, chỉ dùng tín hiệu của gryoscope để điều khiển nên mô hình vẫn chƣa thể bay cân bằng. 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor hiện có Hệ thống quadrotor là một đối tƣợng nghiên cứu rất phổ biến trong thời gian gần đây. Nó vốn là một hệ thống phi tuyến không ổn định, và chứa nhiều thành phần bất định nhƣ động học không mô hình, sự biến thiên của các thông số và nhiễu loạn. Có nhiều lý thuyết và phƣơng pháp thiết kế cân bằng hệ thống quadrotor trong các công bố của các thập niên qua. Điển hình là 2 phƣơng pháp điều khiển PID và LQR. Tác giả Tommaso Bresciani trong tài liệu tham khảo [4] đã sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao của quadrotor khi bay ở chế độ lơ lửng. Bộ điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên mô hình phi tuyến của quadrotor tại điểm cắt khi quadrotor ở trạng thái lơ lững. Bộ điều khiển đƣợc phát triển sử dụng mô hình mô phỏng không phi tuyến (Matlab simulink model). Kết quả là bộ điều khiển đã ổn định vật lý trong 3 giây, tuy nhiên hệ thống không ổn định trong môi trƣờng nhiều tác động nhiễu. Trong tài liệu tham khảo [6], nhóm tác giả đã thực hiện bộ điều khiển LQR để điều khiển quadrotor. Kết quả mô phỏng là đạt yêu cầu, nhƣng khí có sự nhiễu loạn lớn thì bộ điều khiển đã không thể ổn định hóa hệ thống. Kết quả của 2 phƣơng pháp này trả về là rất khả thi, bộ điều khiển cho kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm khá tốt, tuy nhiên khi có tác động nhiễu thì hệ thống không còn ổn định và việc xác đinh giá trị P, I, D, L, Q, R trong phƣơng pháp PID và LQR tốn nhiều thời gian và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế. Trang 5
21. LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong những năm gần đây các phƣơng pháp thiết kế phi tuyến nhƣ điều khiển backsteping (điều khiển cuốn chiếu), điều khiển trƣợt, điều khiển ổn định hóa vào ra, Fuzzy logic đƣợc tập trung nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh. Nhóm tác giả Ashfaq Ahmad Mian and Wang Daobo trong tài liệu tham khảo [9] đã tiến hành xây dựng bộ điều khiển cuốn chiếu và kết quả trên mô phỏng bằng Matlab Simulink model là rất khả quan. Bộ điều khiển đạt độ ổn định cao, duy trì đƣợc các góc roll, pitch, yaw và nhanh chóng bám theo tín hiệu đặt ban đầu của hệ thống. Tuy nhiên 50% lần thử nghiệm bay thực tế lại thất bại. Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lƣợng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. Luận văn không có tham vọng đề xuất một cách điều khiển hoàn toàn mới mà chỉ giải quyết ở mức độ tổng hợp các công trình nghiên cứu trƣớc đây và kết hợp với các tài liệu nền móng về điều khiển kể cả điều khiển tuyến tính và điều khiển phi tuyến, lựa chọn ra các phƣơng án phù hợp, điều chỉnh các hệ số, thay đổi kết cấu của mỗi bộ điều khiển để phù hợp với quadrotor thử nghiệm. So sánh rất nhiều bộ điều khiển nhƣ PID, LQR, Lyapunov, điều khiển mờ, điều khiển cuốn chiếu, điều khiển trƣợt học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển bền vững quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID. Mục đích của phƣơng pháp này là tác giả luận văn muốn khắc phục các nhƣợc điểm mà bộ điều khển PID kinh điển không thể khắc phục đƣợc. Mục tiêu của luận văn là hƣớng tới điều khiển ổn định mô hình bám theo tín hiệu đặt X, Y, độ cao Z và góc xoay Yaw . 1.3. Phạm vi nghiên cứu Đề tài quadrotor là một đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp ở nhiều lĩnh vực nhƣ: thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, điều khiển, truyền thông, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển. Để điều khiển một quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới 4 tín hiệu điều khiển độc lập cho 4 cánh của mô hình. Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai cũng rất đa dạng. Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển ổn định hóa quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID. Luận văn sẽ đi sâu vào thí nghiệm tìm thông số cho bộ điều khiển, từ đó lấy số liệu về đáp ứng đầu ra, thống kê số liệu để tạo điều kiện cho những nghiên cứu tiếp theo. Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4