Tài liệu Luận văn:Nghiên cứu ứng dụng mô hình Quadrotor trong giám sát và cứu hộ pptx

HUTECH


BăGIÁOăDCăVĨăĨOăTO
TRNGăIăHCăKăTHUTăCỌNGăNGHăTP.HCM





PHMăQUCăPHNG


NGHIểNăCUăNGăDNGăMỌăHỊNHă
QUADROTORăTRONGăGIÁMăSÁTăVĨăCUăHă

LUNăVNăTHCăS
CHUYểNăNGĨNH:ăăTHITăB,ăMNGăVĨăNHĨăMÁYăIN
MẩăSă:ăăă60.52.50

TP.ăHăCHệăMINH,ăthángă06ănmă2012
HUTECH

BăGIÁOăDCăVĨăĨOăTO
TRNGăIăHCăKăTHUTăCỌNGăNGHăTP.HCM





PHMăQUCăPHNG


NGHIểNăCUăNGăDNGăMỌăHỊNHă
QUADROTORăTRONGăGIÁMăSÁTăVĨăCUăHă

LUNăVNăTHCăS
CHUYểNăNGĨNH:ăăTHITăB,ăMNGăVĨăNHĨăMÁYăIN
MẩăSă:ăă 60.52.50


CÁNăBăHNGăDNăKHOAăHC: TS. VÕ HOÀNG DUY

TP.ăHăCHệăMINH,ăthángă06ănmă2012
HUTECH

CỌNGăTRỊNHăCăHOĨNăTHĨNHăTI
TRNGăIăHCăKăTHUTăCỌNGăNGHăTP.ăHCM

Cán b hng dn khoa hc : TS.VÕ HOÀNG DUY

Cán b chm nhn xét 1:
Cán b chm nhn xét 2:

Lun vn thc s đc bo v ti Trng i hc K thut Công ngh TP. HCM
ngƠy tháng nm 2012.

ThƠnh phn Hi đng đánh giá lun vn thc s gm:
1. PGS.TS. Ch tch Hi đng
2. PGS.TS. Phn bin 1
3. TS. Phn bin 2
4. TS. y viên
5. TS. Th kỦ
Xác nhn ca Ch tch Hi đng đánh giá lun vn vƠ Khoa qun lỦ chuyên ngƠnh
sau khi lun vn đƣ đc sa cha (nu có).

ChătchăHiăđngăđánhăgiáăLunăvn KhoaăqunălỦăchuyênăngƠnh
HUTECH

TRNG H K THUT CÔNG NGH TP.HCM
PHÒNG QLKH ậ TSH

CNGăHọAăXẩăHIăCHăNGHAăVITăNAM
călpă- Tădoă- Hnhăphúc

Tp. H Chí Minh, ngày 15 tháng 06 nm 2012

NHIMăVăLUNăVNăTHCăS
H tên hc viên: Phm Quc Phng Gii tính: Nam.
NgƠy, tháng, nm sinh: 24/05/1979 Ni sinh: Khánh Hòa.
Chuyên ngành: Thit b, mng vƠ nhƠ máy đin MSHV:1081031014.
I. TểNă TÀI.
ắNGHIểNăCUăNGăDNGăMỌăHỊNHăQUADROTORăTRONGăGIÁMă
SÁTăVĨăCUăH”ă.
II.NHIMăVăVĨăNIăDUNG.
1. NhimăvăcaăđătƠi:
 Nghiên cu các phng pháp điu khin Quadrotor.
 Xác đnh mô hình toán hc ca Quadrotor.
 Xây dng mô hình và thut toán điu khin Quadrotor .
 Mô phng mô hình Quadrotor s dng Matlab Simulink.
 Thi công mô hình Quadrotor đ kim nghim thc t.
 Nhn xét kt qu đt đc và so sánh vi các kt qu đƣ đc trong
vƠ ngoƠi nc.
2. NiădungăcaăđătƠi:
 Phn 1: Nghiên cu các phng pháp điu khin Quadrotor, t đó
đa ra các vn đ cn gii quyt đ phc v cho vic xơy dng mô
hình Quadrotor.
 Phn 2: Xác đnh mô hình toán hc ca Quadrotor.
 Phn 3: Xây dng mô hình và thut toán điu khin, mô phng đáp
ng vƠ ng sut bng phn mm Matlab Simulink & Inventor.
 Phn 4: Thi công mô hình Quadrotor.
HUTECH

III. NGĨYăGIAOăNHIMăV:ăngày 15 tháng 09 nm 2011.
IV. NGĨYăHOĨNăTHĨNHăNHIMăV:ăngày 15 tháng 06 nm 2012.
V. CÁNăBăHNGăDN:ă TS. Võ Hoàng Duy.


Cánăbăhngădn KhoaăqunălỦăchuyênăngƠnh
HUTECH

LIăCAMăOAN


Tôi xin cam đoan rng lun vn vi ni dung ắNghiênăcuăngădngămôă
hìnhăQuadrotorătrongăgiámăsátăvƠăcuăh”ălà công trình nghiên cu ca riêng
tôi, di s hng dn ca TS. Võ Hoàng Duy.
Các s liu, kt qu mô phng nêu trong lun vn là trung thc, có ngun
trích dn và cha đc công b trong các công trình nghiên cu khác.

Tp. H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 nm 2012
Ngiăthcăhinălunăvn


Phm Quc Phng

HUTECH

LIăCMăN


Xin cm n Trng i hc K thut Công ngh thành ph H Chí Minh,
cùng Quý Thy, Cô đã tn tình truyn đt kin thc và to mi điu kin tt nht
cho lp chúng tôi trong sut quá trình hc cao hc.
Vi lòng tri ân sâu sc, tôi mun nói li cám n đn Thy TS. Võ Hoàng
Duy, ngi đã nhit tình hng dn và ch bo cho tôi trong sut thi gian thc
hin nghiên cu đ tài này.
Cám n lãnh đo Khoa C – in – in t và quý Thy Cô trong khoa đã
giúp đ tôi trong quá trình thc hin đ tài.
Cám n tt c các bn trong khóa hc, nhng ngi cùng chung chí hng
trong con đng tri thc đ tt c chúng ta có đc kt qu ngày hôm nay.
Cm n gia đình và nhng ngi thân đã đng viên, h tr tôi trong sut
thi gian thc hin nghiên cu này.
Xin trân trng gi lòng tri ân và cm n quý Thy Cô.

Tp. H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 nm 2012

Ngiăthcăhinălunăvn


Phm Quc Phng



HUTECH


i
MCăLC
MCăLC i
DANHăMCăCÁCăCHăVITăTT iii
DANHăMCăHỊNHăNH v
TịMăTT vi
ABSTRACT vii
Chng 1: M U 1
1.1 LỦ do chn đ tƠi. 1
1.2 Mc đích nghiên cu 1
1.3 Phng pháp nghiên cu 2
1.4 Phm vi nghiên cu 2
1.5 ụ ngha khoa hc vƠ thc tin. 3
1.6 B cc ca lun vn 3
Chng 2: TNG QUAN 4
2.1 Lch s phát trin Quadrotor. 4
2.2 t vn đ 6
2.3 Nhim v vƠ mc tiêu ca lun vn. 7

Chng 3: C S IU KHIN 9
3.1 Gii thiu Quadrotor 9
3.2 Phng trình chuyn đng. 12
3.3 Tng quan v k thut điu khin Quadrotor. 18
Chng 4: MÔ PHNG 28
4.1 Xơy dng mô hình Quadrotor trong Matlab Simulink. 28
4.2 Mô hình matlab vƠ kt qu mô phng. 31
Chng 5: THI CÔNG 36
5.1 Xơy dng mô hình Quadrotor trong phn mm Inventor. 36
5.2 S đ khi mch điu khin gia Quadrotor vƠ PC ậ Transmitter. 40
5.3 Mô hình kim tra lc đy ca motor 40
HUTECH


ii
5.4 Xơy dng giao din Labview dùng đ giám sát. 42
Chng 6: TNG KT 43
6.1 Kt qu. 43
6.2 Hiu qu kinh t, xƣ hi, giáo dc, an ninh, quc phòng, ầ 44
6.3 Hng phát trin 44


HUTECH


iii
DANHăMCăCÁCăCHăVITăTT
x: V trí dƠi theo trc x
E
.

y: V trí dƠi theo trc y
E
.
z: V trí dƠi theo trc z
E
.
: Góc roll ( xoay quanh trc XΨ.
: Góc yaw ( xoay quanh trc ZΨ.
: Góc pitch ( xoay quanh trc YΨ.
u: Vn tc dƠi theo trc x
B
.
v: Vn tc dƠi theo trc y
B
.
w: Vn tc dƠi theo trc z
B
.
u: Gia tc dƠi theo trc x
B
.
v: Gia tc dƠi theo trc y
B
.
w: Gia tc dƠi theo trc z
B
.
q: Vn tc góc theo trc x
B
.

p: Vn tc góc theo trc y
B
.
r: Vn tc góc theo trc z
B
.
q: Gia tc góc theo trc x
B
.
p: Gia tc góc theo trc y
B
.
r: Gia tc góc theo trc z
B
.


: là gia tc theo phng Z
b
.


: là vn tc góc ca cánh qut.


: lƠ lng tng hoc gim ca 

đ bay lên hay h xung.



: là gia tc theo phng X
b
.


: là vn tc góc ca cánh qut.


,

(



): lƠ lng tng hoc gim ca 

.


: là gia tc theo phng Y
b
.


: là vn tc góc ca cánh qut.


,

(




): lƠ lng tng hoc gim ca 

.
HUTECH


iv
R

: Ma trn quay.
T

: ma trn chuyn v.
J

: Ma trn tng quát.
U
1
: Tng lc ca các motor.
U
2
:Moment góc Roll.
U
3
:Moment góc Pitch.
U
4

:Moment góc Yaw.
W: Trng lc.
I: Moment quán tính
: Vector tc đ cánh qut.

1
: Tc đ cánh qut trc.

2
: Tc đ cánh qut phi.

3
: Tc đ cánh qut sau.

4
: Tc đ cánh qut trái.









HUTECH


v
DANHăMCăHỊNHăNH

Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1 4
Hình 2.2 Quadrotor ca Etienne Oemichen 5
Hình 2.3 Bch tuc bay 5
Hình 2.4 Draganflyer X-Pro 6
Hình 3.1 Quadrotor. 9
Hình 3.2 Nguyên lí hot đng ca Quadrotor. 9
Hình 3.3 Trng thái l lng. 10
Hình 3.4 Trng thái bay lên/xung. 10
Hình 3.5Trng thái nghiêng trái/phi 11
Hình 3.6 Trng thái lt trc/sau 11
Hình 3.7Trng thái xoay qua trái/phi 12
Hình 3.8 H qui chiu quán tính và vt th (Kivrak, A, .2006 ) 13
Hình 3.9 Hình dng ca cánh qut 18
Hình 3.10 S đ khi b điu khin PID 20
Hình 3.11  th PV theo thi gian, ba giá tr K
p
(K
i
và K
d
lƠ hng sΨ 21
Hình 3.12  th PV theo thi gian, vi 3 giá tr Ki (Kp vƠ Kd không điΨ 22
Hình 3.13  th PV theo thi gian, vi 3 giá tr Kd (Kp and Ki không điΨ 23
Hình 3.14 S đ khi dùng b lc Kalman đ lc tín hiu nhiu. 25
Hình 3.15 Quá trình tính toán dùng b lc Kalman 25
Hình 3.16 Mô phng đáp ng dùng b lc Kalman 27
Hình 4.1 Khi to 12 bin trng thái 29
Hình 4.2 Mô hình vn tc góc ca đng c 29
Hình 4.3 Mô hình đáp ng đng ca đng c 30
Hình 4.4 Mô hình đáp ng đng ca h thng 30

Hình 4.5 Mô hình điu khin đ cao và góc xoay 30
Hình 4.6 Mô hình mô phng Quadrotor trong Matlab Simulink. 31
Hình 4.7 Trng hp 1 Hình 4.8 Trng hp 2 31
Hình 4.9 Trng hp 3 Hình 4.10 Trng hp 4 32
Hình 4.11 Trng hp 5 Hình 4.12 Trng hp 6 32
Hình 5.1 Mô hình Quadrotor 2D. 36
Hình 5.2 Mô hình Quadrotor 3D. 37
Hình 5.3 Mô hình Quadrotor (trong phn mm InventorΨ. 38
Hình 5.4 Kt qu mô phng ng sut vƠ chuyn v. 38
Hình 5.5 Mô hình Quadrotor. 39
Hình 5.6 S đ khi mch điu khin 40
Hình 5.7 Mô hình kim tra lc đy motor 40
Hình 5.8 Bng tham chiu tc đ đng c 41
Hình 5.9  th đáp ng lc đy đng c 42
Hình 5.10 Giao din giám sát Quadrotor 42

HUTECH


vi
TịMăTT
Trong nhng nm gn đơy máy bay trc thng QuadrotorngƠy cƠng tr nên
quan trng, lƠ nn tng cho c nghiên cu vƠ thng mi trong các ng dng
phng tin bay không ngi lái.Phng tin bay không ngi lái (UAVΨ lƠ máy
bay có kh nng bay mà không cn ngi vn hƠnh bên trong. Phng tin nƠy có
th đc điu khin t xa bi ngi điu hƠnh trên mt đt, hoc bay t đng thông
qua mt đng bay đc lp trình trc. UAVs đƣ đc quơn đi s dng cho các
hot đng tìm kim vƠ cu h.
Lun vn: “Nghiên cu ng dng mô hình Quadrotor trong giám sát vƠ cu
h” Nghiên cu nƠy đc thc hin mô phng trong môi trng MATLAB /

Simulink vƠ kt qu cho thy rng thut toán điu khin PID cho phép Quadrotor
bay n đnh mƠ không to ra dao đng.
Mô hình Quadrotor đc xơy dng th công phi có cu trúc cng vƠ nh.
Quadrotor đc thit k trong mt khi khép kín, h thng kim soát t l đo đng
lc trong khi bay thông qua mt cm bin con quay hi chuyn 3 trc vƠ mt cm
bin góc nghiên hai trc. Mt vi điu khin nhn tín hiu các cm bin vƠ thc hin
kim soát t l trên bn đng c bng cách thay đi tín hiu PWM gi cho mi
đng c. Các kt qu điu khin đc gi li đn vi điu khin vƠ sau đó vi điu
khin cung cp cho các đng c không chi than tín hiu PWM đ thit lp tc đ
mƠ ti đó đng c phi quay.Tc đ chuyn thƠnh mt lc gi cho Quadrotor n
đnh.





HUTECH


vii
ABSTRACT
Quadrotor helicopters have become increasingly important in recent years, as
platform for both research and commercial unmanned aerial vehicle applications.
Unmanned aerial vehicles (UAV) are aircrafts capable of flight without on-board
operator. Such vehicles can be controlled remotely by operator on the ground, or
autonomously via a pre-programmed flight path. UAVs are already being used by
the military for search and rescue operations.
The thesis is: “ Research Aplication Modelling of Quadrotor for Monitoring
and Rescue”. Simulation studies are carried out in the MATLAB/Simulink
environment and results show that the PID control algorithm allows for the

Quadrotor to make steady corrections that do not break into an oscillation.
Modelling of a Quadrotor for building a craft structure that was both stiff and
lightweight. I incorporated in my quadrotor a closed loop, proportional control
system which measured in-flight dynamics via a three axis gyro and two dual axis
tilt-sensors. A microcontroller took these sensor inputs and performed proportional
control on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors. The
controlled results and sent to the microcontroller which then provides the brushless
motor drivers the pulse width modulated signal that specifies the speed at which the
motors have to spin. The speed translates into a force that keeps the Quadrotor
stable.



HUTECH


1
Chngă1: MăU

1.1 LỦădoăchnăđătƠi.
Khoa hc vƠ công ngh có vai trò rt quan trng trong s nghip công nghip
hóa vƠ hin đi hóa đt nc, lƠ thc đo vƠ đng lc phát trin ca mi quc gia.
NgƠy nay, các nhƠ khoa hc vn luôn không ngng nghiên cu vƠ phát trin các
ng dng nhm phc v cho nhu cu ngƠy cƠng nơng cao ca con ngi. Khoa hc
vƠ công ngh giúp chúng ta ngƠy cƠng vn cao hn, xa hn, sơu hnầ
Trong nhng nm gn đơy, các vin nghiên cu, trng đi hc, trung tơm
nghiên cu vƠ phát trin công ngh trên th gii đƣ đi sơu vƠo nghiên cu vƠ phát
trin ng dng mt thit b bay không ngi lái (UAVΨ có kh nng đáp ng mt
cách linh hot các yêu cu ca con ngi.
Trong khi đó  Vit Nam hin nay vn cha có mt công trình nghiên cu hoƠn

chnh nƠo v UAV. Các công trình nghiên cu vn ch  mc đ nghiên cu trong
các phòng thí nghim. Mt s ngi đam mê bay ch thc hin công vic lp ghép
các mô hình có sn ch cha đi vƠo nghiên cu thc t vƠ áp dng vƠo cuc sng.
NgoƠi ra, các t liu vƠ điu kin ch to UAV  Vit Nam cng còn nhiu khó
khn.
T nhng vn đ nêu trên, ngi thc hin đƣ chn đ tƠi:
“ NghiênăcuăngădngămôăhìnhăQuadrotorătrongăgiámăsátăvƠăcuăh.”
1.2 Mcăđíchănghiênăcu.
 tài: “Nghiênăcuă ngădngă môăhìnhăQuadrotor trong giámăsátăvƠăcuă
h” đc thc hin nhm mc đích kho sát mô hình vt lỦ, kt hp vi vic xơy
dng mô hình vƠ gii thut điu khin đ t đó đa ra c s lỦ thuyt phc v cho
vic tính toán, thit k phn cng vƠ phn mm điu khin Quadrotor.

HUTECH


2
1.3 Phngăphápănghiênăcu
ng dng phng pháp lun c đin t trong tính toán thit k vƠ ch to robot.
 phng pháp nƠy vic thit k có xét đn tính liên ngƠnh vƠ tích hp h thng, c
th:
 Nghiên cu các tƠi liu vƠ thit k có sn trong vƠ ngoƠi nc.
 Tính toán thit k mô hình hóa vƠ mô phng đ đánh giá cht lng h thng
vƠ loi tr các li khi thit k.
 Thit k mô hình tng hp da trên mô hình o, bao gm: mô hình c khí,
mô hình điu khin, tích hp h thng cm bin.
 Th nghim, đánh giá vƠ hiu chnh.
1.4 Phmăviănghiênăcu
 tƠi v Quadrotor lƠ mt đ tƠi khó, đòi hi kin thc tng hp  nhiu lnh
vc nh: thit k c khí, đng lc hc, khí đng hc, x lỦ tín hiu s, mch đin

t, điu khin, ghép ni máy tính, truyn thông không dơy, mô hình hóa, mô phng,
lp trình điu khin, lp trình giao din,ầ trong khi nhng đ tƠi trong nc nghiên
cu v Quadrotor lƠ không nhiu vƠ cng cha có kt qu thƠnh công m mƣn. Do
đó, ngi thc hin ch trng tơm đi sơu vƠo nghiên cu thit b bay không ngi lái
có 4 cánh hay còn đc gi lƠ Quadrotorvi mt s điu kin nh sau:
 Nghiên cu loi Quadrotor 4 cánh công sut nh s dng đng c không
chi than.
 S dng các cm bin góc vƠ gia tc.
 Thi gian bay trong khong 5 phút.
 Cho phép hot đng trong phòng thí nghim vƠ ngoƠi tri.
 Lc nơng ti đa ca robot lƠ 1kg.
 Mc tiêu ca đ tƠi lƠ tp trung ch yu vƠo bƠi toán điu khin cơn bng.
HUTECH


3
1.5 ụănghaăkhoaăhcăvƠăthcătin.
1.5.1 ụănghaăkhoaăhc.
 tƠi hoƠn thƠnh lƠ bc khi đu cho các đ tƠi nghiên cu ng dng
Quadrotor có tính phc tp cao hn. ng thi có th áp dng các kt qu nghiên
cu đc, lƠm tƠi liu tham kho cho các công trình nghiên cu sau nƠy.
1.5.2 ụănghaăthcătin:
Tích hp camera wifi đ phơn gii cao đ quay phim vƠ chp nh gi v
máy tính trong các ng dng giám sát vƠ thm dò.
Tích hp h thng đnh v toƠn cu GPS đ Quadrotor có th t bay không cn
ngi điu khin mƠ ch ph thuc vƠo các trm điu khin mt đt thông qua sóng
wifi. Vic tích hp thêm h thng đnh v GPS lƠ mt bc tip theo giúp cho
quadrotor tr nên linh hot hn trong quá trình thc hin nhim v.
NgoƠi ra, vic tích hp thêm mt s thit b ph tr phc v cho tng loi
nhim v cng cn đc quan tơm nh vic lp thêm các cm bin siêu ơm, cm

bin t trng, cm bin nh 3D ầ đ tránh vt cn, xơy dng bn đ vƠ dò tìm
mc tiêuầ
Phát trin đ tƠi vi các ng dng trong quơn s nh tích hp thêm v khí đ có
th do thám vƠ tn công các mc tiêu nhm tránh thng vong cho con ngi.
1.6 Băccăcaălunăvn
Chng 1: M đu
Chng 2: Tng quan
Chng 3: C s điu khin
Chng 4: Mô phng.
Chng 5: Thi công.
Chng 6: Tng kt.

HUTECH


4
Chngă2: TNGăQUAN

2.1 LchăsăphátătrinăQuadrotor.
Chic Quadrotor đu tiên trên th gii ra đi nm 1907 do 2 anh em nhƠ khoa
hc ngi Pháp Charles Richet vƠ Charlaes Breguet ch to. Nó đc mang tên lƠ
“Breguet - Richet Gyroplane No 1”. Yêu cu đc đa ra lƠ nó có th ct cánh
khi mt đt vi 1 phi công. Mt đng c 8 xi lanh đc s dng đ quay 4 cánh
qut.Mi cánh qut có 4 bn cánh. H thng dơy đai vƠ pu-li đc gn lên nhm
truyn đng t đng c cho các cánh. B khung ca chic quadrotor nƠy lƠm t các
ng thép. Tng trng lng ca nó vƠo khong 500kg. Ln bay th nghim đu tiên
din ra ti Douai- Pháp vƠo nm 1907. Nó đƣ có th nơng cao khi mt đt 1,5 m.

Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1
n nm 1920, Etienne Oemichen đƣ ch to mt chic quadrotor vi 8 cánh qut
linh hot nhm điu khin vƠ to lc đy.Ban đu, nó đc gn thêm mt khí cu đ
nơng vƠ gi n đnh cho c máy nƠy.Nm 1924, Oemichen đƣ thƠnh công
khi cho
chic quadrotor bay mƠ không cn s tr giúp ca khí cu.Sau đó, nó
không bao
gi đc s dng na.





HUTECH


5







Hình 2.2 Quadrotor ca Etienne Oemichen

Trong nm 1922, Georges de Bothezat vƠ Ivan Jerome thƠnh công khi thit k
chic quadrotor khng l phc v cho quơn đi M. C máy nƠy đƣ đc điu khin
bng cách thay đi đn l hoc cùng lúc các góc xon ca cánh qut. NgoƠi ra,
nócòn đc gn thêm 4 cánh qut loi nh đ tr giúp điu khin. Chic quadrotor nƠy
đc đt tên lƠ ”Bch tuc bay”. Nhng d án nƠy b hy b vì kh nng bay thp,
giá thành cao.








Hình 2.3Bch tuc bay
T đó, quadrotor không còn đc chú Ủ nh trc.Cho đn nhng nm 1980,
quadrotor li đc quan tơm tr li vi kt cu đn gin, kh nng mang ti cao vƠ giá
thƠnh thp.
Chic Draganflyer X-Pro ca hƣng sáng ch Draganfly, lƠ mt trong nhng chic
quadrotor thng mi điu khin bng sóng radio. Nó đc trang b mt bng
mch điu khin v trí, X-pro có th bay d dƠng so vi mt chic trc thng
HUTECH


6
thông thng.Khung đc lƠm bng ng si các-bon có trng lng nh nhng đ
bn.X-pro s dng 3 cm bin góc Gyro đ gi thng bng. NgƠy nay, rt nhiu
nhƠ nghiên cu s dng X-pro nh mt phng tin c bn phc v cho các công
vic nghiên cu.

Hình 2.4Draganflyer X-Pro
Công vic nghiên cu v Quadrotor đƣ đc quan tơm t lơu bi các nhóm nghiên
cu khác nhau trên th gii đƣ chng t rng quadrotor lƠ mt la chn tt cho các
ng dng ca UAV so vi mt máy bay trc thng thông thng.Quadrotor ngƠy
cƠng đc ng dng rng rƣi trong lnh vc quơn s cng nh dơn s.Nó đƣ mang
li cho các nhƠ khoa hc thêm nhiu la chn cho công vic nghiên cu.
2.2 tăvnăđ
UAV (Unmanned Arial Vehicle) lƠ mt thit b bay có gn đng c nhng
không ngi lái, s dng các lc khí đng hc đ di chuyn, có th bay t đng
hoc thông qua b điu khin t xa.
Ngày nay, mt s lng ln UAV đc phát trin da trên các nhim v yêu
cu đc đt ra. Thông qua s lng các UAV đang đc s dng cho thy không
th ph nhn kh nng ca các phng tiên bay lên thng bi tính tin dng vƠ linh
hot trong phm vi hot đng hp. Phng tin bay lên thng có th bay trong các
khu vc thp hn so vi mt nc bin vƠ cung cp chi tit các thông tin v khu vc
đó thông qua các trm điu khin.
Các UAV đc bit đn bi kh nng thc hin các nhim v liên quan đn các
thit b quơn s. Sau khi chin tranh lnh kt thúc, hƠng lot các nc nh M, Tơy
Ểu, Ỏc, Israel, Trung Quc, Nga đƣ đu t cho các công trình nghiên cu vƠ phát
HUTECH


7
trin UAV. Các loi UAV phc v cho các nhim v quơn s khác nhau đc thit
k vƠ đa vƠo thc t. NgoƠi các thit k dƠnh cho quơn s, các ng dng cho các

lnh vc khác cng đc quan tơm nh quan sát núi la, điu tra môi trng, bo
dng thit b, gieo trng, phun thuc tr sơu trong nông nghipầ NgƠy cƠng có
nhiu các ng dng thng mi đc phát trin vi UAV.
Quadrotor lƠ thit b bay không ngi lái đc điu khin t xa. u đim
chính ca thit b lƠ có kích thc nh gn, giá thƠnh thp, hot đng linh
hotầCác nc phát trin trên th gii đƣ đi sơu vƠo nghiên cu vƠ phát trin trong
khong mt thp niên gn đơy nhng  Vit Nam thì thit b nƠy ch bc đu đc
sinh viên các Trng i hc Bách Khoa Tp.HCM, i hc S phm K thut, ầ
thc hin trong các đ tƠi tt nghip vƠ thc t cha đi sơu vƠo nghiên cu mô hình
toán hc cng nh các vn đ v đng hc vƠ đng lc hc. Bên cnh đó cng có
công trình nghiên cu vƠ ch to ca k s Lê Công Danh đc PGS-TS Lê Hoài
Quc đánh giá cao nhng hin nay vn còn đang trong quá trình nghiên cu vƠ th
nghim.
Qua thc tin cho thy rng đ có th thit k vƠ ch to thƠnh công mt sn phm
công ngh thì đòi hi ngi thc hin phi nm đc lỦthuyt vng chc kt hp vi
kinh nghim thc t. Thc t cng chng minh rng mô hình Quadrotor đc nghiên
cu vƠ ch to  Vit Nam hin nay vn cng ch lƠ các dán vƠ các đ tƠi nghiên cu
cha th ng dng rng rƣi trong thc t cuc sng.
T nhng vn đ cp thit nêu trên, ngi thc hin đ tƠi nƠy mun đi sơu vƠo
nghiên cu mô hình toán hc ca Quadrotor đ t đó khi tin hƠnh thit k vƠ thi công
mô hình bay thc t nhng ngi thc hin s có c s khoa hc vng chc.
2.3 NhimăvăvƠămcătiêuăcaălunăvn.
2.3.1 Nhimăvu:
 Nghiên cu các phng pháp điu khin Quadrotor.
 Xác đnh mô hình toán hc ca Quadrotor.
 Xây dng mô hình và thut toán điu khin Quadrotor .
 Mô phng mô hình Quadrotor s dng Matlab Simulink.
HUTECH

8
 Thi công mô hình Quadrotor đ kim nghim thc t.
 Nhn xét kt qu đt đc và so sánh vi các kt qu đƣ đc trong và
ngoƠi nc.
2.3.2 Mcătiêu:
 Mô t đc mô hình toán hc ca 1 thit b bay không ngi lái.
 Xơy dng thut toán điu khin n đnh vƠ chính xác.
 Mô hình thi công phi đáp ng đc các vn đ v c khí vƠ điu
khin, thm m, giá thƠnh thp.

HUTECH


9
Chngă3: CăSăIUăKHIN

3.1 GiiăthiuăQuadrotor
3.1.1 nhăngha:ăQuadrotor có th đc đnh ngha lƠ mt phng tin bay có
4 cánh qut gn lên phía cui ca mt khung hình ch thp.




Hình 3.1Quadrotor.
3.1.2 Nguyênălíăhotăđng

Hình 3.2Nguyên lí hot đng ca Quadrotor.
Cp cánh qut phía trc vƠ phía sau quay thun chiu kim đng h, trong khi đó
cp cánh bên phi vƠ bên trái li quay ngc chiu kim đng h nhm cơn bng mô-
men xoay đc to ra bi các cánh qut trên khung. C 4 cánh sinh ra mt lc đy
bng nhau khi ct cánh nu quay  cùng mt tc đ. Góc nghiêng đc điu khin
khi thay đi mi quan h v tc đ gia cánh bên phi vƠ bên trái sao cho gi
nguyên tng lc đy sinh ra bi cp cánh nƠy. Tng t, góc lt cng đc điu
khin bi mi quan h gia 2 tc đ ca 2 cánh phía trc vƠ phía sau. Góc xoay li
đc thay đi nh vƠo s thay đi vn tc ca cánh bên phi vƠ bên trái liên quan
ti tc đ ca cp cánh phía trc vƠ phía sau.
Khi đó, tng lc đy sinh ra bi các cp cánh đc gi không đi.  cao ca
Quadrotor thay đi khi tng hoc gim đng thi tc đ ca các cánh qut.
HUTECH


10
3.1.2.1 Trngătháiălălngă(Hover):
Quadrotor s bay l lng trong không trung.  trng thái nƠy, tt c các
cánh qut quay cùng mt tc đ không đi (
1
= 
2
= 
3
= 
4
).

Hình 3.3Trng thái l lng.
3.1.2.2 Trngătháiăbayălên/xungă(Throttle):
Quadrotor sbay lên hoc h xung theo phng thng đng.  bay lên,
tc đ ca 4 cánh qut tng lên, h xung thì c 4 cánh cùng gim tc đ, lúc đó s
sinh ra mt hp lc dc trc theo phng z điu khin quadrotor bay lên hoc bay
xung.





Hình 3.4Trng thái bay lên/xung.
Trong đó:


:là gia tc theo phng Z
b.



:là vn tc góc ca cánh qut.


:lƠ lng tng hoc gim ca 

đ bay lên hay h xung.
Lu Ủ: 


không đc quá ln vì s nh hng đn đ n đnh vƠ cơn bng.
3.1.2.3 Trngătháiănghiêngătrái/phiă(Roll):
Quadrotor bay nghiêng bên trái hoc bên phi, đ bay nghiêng bên phi
(bên tráiΨ gi nguyên tc đ ca 2 cánh qut trc vƠ sau, tng (gimΨ tc đ ca
cánh qut bên trái vƠ gim (tngΨ tc đ cánh qut bên phi. Khi đó moment sinh ra
HUTECH


11
quay quanh trc X
b
làm cho tng lc nơng ca các cánh qut không còn nm theo
phng thng đng mƠ theo phng chuyn đng.





Hình 3.5Trng thái nghiêng trái/phi
Trong đó:


:là gia tc theo phng X
b.



:lƠ vn tc góc ca cánh qut.



,

(



): lƠ lng tng hoc gim ca 

.
3.1.2.4 Trngătháiăltătrc/ăsauă(Pitch):
Quadrotor s bay ti trc hoc bay lùi v sau. Tng t nh khi bay
nghiêng trái/ phi, 2 cánh qut trái vƠ phi gi mt tc đ nh nhau Đ bay ti
(lùiΨ điu khin tng(gimΨ tc đ ca cánh qut sau vƠ gim (tngΨ tc đ cánh qut
trc, sinh ra moment xoay quanh truc Y
b
.






Hình 3.6Trng thái lt trc/sau
Trong đó:


: lƠ gia tc theo phng Y
b



:là vn tc góc ca cánh qut.


,

(



): lƠ lng tng hoc gim ca 

.