(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang ii


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 tơi
trong suốt q trình học cao hoc.
Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG
HOÀI NGHĨA, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn và chỉ bảo cho tơi trong suốt thời
gian thực hiện nghiên cứu đề tài này.
Cám ơn lãnh đạo Khoa Điện - Điện Tử và quý Thầy Cơ trong khoa đã giúp đỡ
tơi trong q trình thực hiện đề tài này.
Cám ơn tất cả các bạn trong khố học, những ngƣời cùng chung chí hƣớng
trong con đƣờng tri thức để tất cả chúng ta có đƣợc kết quả ngày hơm 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 q Thầy Cơ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015
Ngƣời thực hiện luận văn

Phạm Đình Ngãi

Trang iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT
Quadrotor là một thiết bị bay khơng 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 khơng gian tốt, cất cánh, bay, và đáp tại khu vực nhỏ, và điều
khiển đơn giản.
Trong luận văn, mơ hình tốn 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 mơ hình mơ 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 mơ 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

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


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 cơng trình nghiên cứu liên quan .............................................................1
1.2.1. Các cơng 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. Mơ hình hóa quadrotor ................................................................................12
2.2.1. Định nghĩa hệ quy chiếu .......................................................................13
Trang vi


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. Mơ hình Simulink mơ phỏng bộ điều khiển ...................................................30
3.3.1. Trƣờng hợp khơng 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 CƠNG MƠ 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 mơ hình ..........................................................................54
4.4.1. Về độ cao ..............................................................................................54
4.4.2. Về tốc độ ...............................................................................................54
Trang vii


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


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


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

IXX

kg.m2

Mơ men qn tính theo trục X

IYY

kg.m2

Mơ men qn tính theo trục Y

IZZ

kg.m2

Mơ men qn tính theo trục Z

l



m
Nm/N

Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động cơ
Hệ số tỷ lệ giữa mô men động cơ và lực động cơ

Trang x


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: Mơ hình MD4-200 ......................................................................................4
Hình 2.1: Mơ 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 qn 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
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
Hình 3.11: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển

và ......28

............29

...................................................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


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 mơ 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 mơ 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


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: Thơng số của các giá trị tín hiệu đặt .........................................................30
Bảng 3.4: Thơng số của các giá trị tín hiệu đặt .........................................................34
Bảng 3.5: Thơng số của các giá trị tín hiệu đặt .........................................................38

Bảng 4.1: Thông số của động cơ BLDC MT 1806 ...................................................46

Trang xiii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Đặt vấn đề

1.1.

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 qn
sự. Bên cạnh đó các thiết bị bay khơng 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 mơ hình tốn
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 cơng một sản
phẩm cơng nghệ thì địi 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 tốn điều
khiển phức tạp. Từ thực tế cũng chứng minh rằng mơ 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 mơ hình tốn học của quadrotor để từ đó đi đến thiết kế và thi cơng
mơ hình bay thực tế trên những cơ sở khoa học vững chắc.
1.2.

Các cơng 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 mơ hình tƣơng tự mơ hình
Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

quadrotor của luận văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mơ hình đi sâu vào tối
ƣu hóa kích thƣớc rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mơ 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 cơng 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 mơ 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 thơng
thƣờng. Khung đƣợc làm bằng ống sợi carbon có trọng lƣợng nhẹ nhƣng đủ bền. XPro sử dụng cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng.

Hình 1.1: Draganflyer X-Pro
Các thơng số kỹ thuật:
 Có thể nâng đƣợc tối đa 1360g.
 Đƣợc điều khiển bằng bộ vô tuyến 9 kênh FM (PCM).
Trang 2


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 khơng ảnh.
1.2.1.2.

Phantom FC40

Hình 1.2: Phantom FC40
Phantom FC40 là mơ 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 hồn hảo, đổi hƣớng khơng 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 mơ hình ghi lại rất sắc nét và khơng
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, ngồi 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


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.3: Mơ 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 mơ hình tốn học cũng nhƣ các vấn đề về
động học và động lực học.
Năm 2009, cơng trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ 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 Thơng 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 mơ 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 mơ 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 mơ hình. Kết quả
là nhiều máy bay quadrotor đã bay lên thành cơng từ những ngƣời đam mê mơ hình.
Tuy nhiên, do hệ thống cảm biến chỉ dùng gryoscope đo chuyển động theo 3 trục,
khơng có cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy ra hiện tƣợng “trơi”, khả năng
bay của mơ hình vẫn phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm của ngƣời điều khiển.
Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ở các trƣờng đại học, nhiều sinh viên năm 3-4 đã chọn quadrotor làm đề tài
nghiên cứu, thỗ 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 cịn một số đề tài
mà mơ hình chƣa bay lên thành cơng. 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 mơ 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 mơ hình, sự biến thiên của các thơng 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 mơ hình phi tuyến của quadrotor tại điểm cắt khi quadrotor ở
trạng thái lơ lững. Bộ điều khiển đƣợc phát triển sử dụng mơ hình mơ phỏng khơng
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 u cầu, nhƣng khí có sự nhiễu loạn
lớn thì bộ điều khiển đã khơng 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
khơng cịn 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


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
khơng có tham vọng đề xuất một cách điều khiển hoàn toàn mới mà chỉ giải quyết ở
mức độ tổng hợp các cơng 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 mơ 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 thơng, mơ hình hóa, mơ 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
mơ 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 thơng 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các công việc thực hiện trong đề tài:
 Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển quadrotor.
 Xác định mơ hình tốn học quadrotor.
 Xây dựng mơ hình và thuật tốn điều khiển mờ PID quadrotor.
 Mơ phỏng mơ hình quadrotor sử dụng phần mềm Matlab Similink phiên bản
2013a.
 Hiện thực thuật toán điều khiển đƣa vào sử dụng board điều khiển.
 Nhận xét kết quả đạt đƣợc và so sánh với các kết quả đã đạt đƣợc trong và
ngoài nƣớc.
Trên cơ sở những kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm thực tế, học viên tiến hành
phân tích những ƣu khuyết điểm từ đó tìm ra hƣớng tốt hơn để cải thiện bộ điều
khiển cũng nhƣ nâng cao hơn độ chính xác của kết quả.
1.4.

Tóm lƣợc nội dung luận văn
Luận văn gồm 5 chƣơng với cấu trúc nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về các cơng trình nghiên cứu liên quan, xu

hƣớng phát triển của các mô hình tƣơng tự nhƣ trong luận văn. Khả năng ứng dụng
thực tiễn, những ƣu khuyết điểm của mơ hình, mức độ áp dụng của các thuật tốn.
Chƣơng 2: Trình bày chi tiết mơ hình tốn học mơ hình quadrotor. Từ mơ
hình tốn học tạo bƣớc đệm để thiết kế bộ điều khiển tiến hành mô phỏng và thực
nghiệm.
Chƣơng 3: Xây dựng luật điều khiển cho mơ hình quadrotor dựa trên phƣơng
pháp điều khiển điều khiển mờ PID, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế mơ hình
simulink tiến hành mơ phỏng bộ điều khiển mờ PID cho mơ hình quadrotor, tổng

hợp các kết quả mô phỏng, nhận xét.
Chƣơng 4: Mô tả phần cứng thực tế mơ hình quadrotor, chi tiết các bộ phận
cấu thành. Trình bày kết quả thực nghiệm của bộ điều khiển mờ PID, nhận xét các
kết quả thu đƣợc.
Chƣơng 5: Kết luận về các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm,
đánh giá điểm đạt đƣợc và tồn tại. Đƣa ra hƣớng phát triển để xây dựng hồn thiện
hơn nữa mơ hình cũng nhƣ các thuật toán điều khiển.

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Cấu tạo và lý thuyết điều khiển quadrotor

2.1.1. Cấu tạo quadrotor
Quadrotor là một thiết bị bay có gắn động cơ khơng ngƣời lái, sử dụng các lực
khí động học để di chuyển, có thể bay tự động hoặc thơng qua bộ điều khiển từ xa.
Quadrotor là loại máy trực thăng có những ƣu điểm nổi bật nhƣ cất cánh và hạ cánh
một cách thẳng đứng dễ dàng, kích thƣớc nhỏ gọn, có thể giữ ổn định ở một vị trí
trong khơng gian tốt, kết cấu cơ khí đơn giản và có khả năng mang tải lớn.

Hình 2.1: Mơ hình quadrotor
Quadrotor có cấu tạo đơn giản, gồm 4 động cơ có 4 cánh quạt đƣợc gắn ở phía
cuối của một khung hình chữ thập, bộ điều khiển và hệ thống cảm biến thƣờng đƣợc
đặt ở giữa trung tâm của mơ hình để giữ thăng bằng và thuận tiện cho việc đấu dây
cũng nhƣ điều khiển.

2.1.2. Lý thuyết điều khiển quadrotor
2.1.2.1.

Nguyên lý hoạt động

Nhƣ đã đề cập trong phần cấu tạo, quadrotor gồm 2 cặp cánh quạt đặt tại 4 góc
của một khung hình chữ nhật. Chiều quay của 2 motor trong mỗi cặp là giống nhau,
nhƣng chiều quay của cặp trƣớc – sau và trái - phải là ngƣợc nhau. Ví dụ nhƣ cặp
cánh quạt trƣớc – sau sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ trong khi đó cặp cánh quạt
trái - phải quay ngƣợc chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn đƣợc tạo ra
bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh quạt này phải sinh ra một lực đẩy bằng
nhau khi quadrotor cất cánh cũng nhƣ hạ cánh. Góc nghiêng (roll) đƣợc điều khiển
Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên lực
tổng đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tƣơng tự, góc lật (pitch) đƣợc điều khiển bằng
thay đổi tốc độ 2 cánh phía trƣớc và sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy. Trong khi
đó, góc xoay (yaw) đƣợc điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải trái so với tốc độ của cặp cánh trƣớc - sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn khơng đổi để
quadrotor giữ đƣợc độ cao. Nói tóm lại, việc điều khiển bay của quadrotor là việc
điều khiển tốc độ quay của các cặp cánh quạt.

Hình 2.2: Góc xoay roll, pitch, yaw của quadrotor
2.1.2.2.

Các chuyển động bay cơ bản của quadrotor

a. Trạng thái lơ lửng (Hover)

Ở trạng thái này, quadrotor sẽ bay lơ lửng trong không trung, lúc này tất cả các
cánh quạt sẽ quay cùng một tốc độ khơng đổi (

), tổng lực khí

động sinh ra do các cánh quạt có giá trị bằng trọng lực của quadrotor thì khi đó
quadrotor sẽ đứng ở một vị trí ổn định trong khơng gian bởi lúc đó tổng lực và
moment tác dụng lên nó là cân bằng.

Hình 2.3: Hover

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

b. Trạng thái lên xuống (Throttle)
Quadrotor sẽ bay lên hoặc hạ xuống theo phƣơng thẳng đứng. Để bay lên, tốc
độ 4 cánh quạt cần phải tăng lên, tƣơng tự để bay xuống thì cả 4 cánh quạt cùng
giảm tốc độ. Lúc đó sẽ sinh ra một lực dọc theo phƣơng Z điều khiển quadrotor bay
lên hoặc bay xuống.

Hình 2.4: Throttle
Trong đó:
: là vận tốc góc của cánh quạt.
: là lƣợng tăng hoặc giảm của

để quadrotor bay lên hoặc xuống.

c. Trạng thái nghiêng trái/phải (Roll)

Trong trạng thái nghiêng trái/phải, nếu muốn nghiêng về bên phải (hoặc trái)
thì quadrotor phải giữ tốc độ của 2 cánh quạt trƣớc và sau tăng (hoặc giảm) tốc độ
của cánh quạt bên trái và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt bên phải. Từ đó tạo ra
một moment xoắn quanh trục

làm cho tổng lực nâng của 4 cánh quạt khơng cịn

nằm theo phƣơng thẳng đứng mà tồn tại thành phần lực hƣớng theo phƣơng chuyển
động.

Hình 2.5: Roll
Trong đó:
: là vận tốc góc của cánh quạt.
: là lƣợng tăng hoặc giảm của vận tốc góc
Trang 10

.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

d. Trạng thái lật trƣớc/sau (Pitch)
Quadrotor bay tới trƣớc hoặc bay lui về sau. Tƣơng tự nhƣ góc roll, 2 cặp cánh
quạt trái và phải giữ nguyên tốc độ. Để bay tới (hoặc lùi) điều khiển tăng (hoặc
giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt trƣớc. Tạo ra
moment xoắn quanh trục

.

Hình 2.6: Pitch

Trong đó:
: là vận tốc góc của cánh quạt.
: là lƣợng tăng hoặc giảm của vận tốc góc

.

e. Trạng thái xoay qua trái/phải (Yaw)
Quadrotor quay quanh trục

. Điều khiển tốc độ cánh quạt theo cách sau: tốc

độ 2 cánh đối diện thì bằng nhau, nhƣng tốc độ khác với 2 cánh quạt còn lại. Để
quadrotor quay quanh trục

theo chiều cùng kim đồng hồ, ta giảm tốc độ cánh

quạt có chiều quay cùng kim đồng hồ, đồng thời ta tăng tốc cặp cánh quạt ngƣợc
chiều kim đồng hồ. Để quay quanh theo chiều ngƣợc chiều kim đồng hồ, ta làm
ngƣợc lại cách trên.

Hình 2.7: Yaw
Trong đó:
: là vận tốc góc của cánh quạt.
: là lƣợng tăng hoặc giảm của vận tốc góc
Trang 11

.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2.

Mơ hình hóa quadrotor
Nghiên cứu động lực học là một trong những bƣớc rất quan trọng bởi nghiên

cứu động lực cho ta biết đƣợc ứng xử của đối tƣợng khi thay đổi các thống số của
đối tƣợng. Dựa trên các ứng xử của hệ thống ta sẽ đƣa ra các thuật toán điều khiển
phù hợp với đối tƣợng nghiên cứu. Nghiên cứu động lực học của quadrotor cũng
khơng ngồi mục đích nhƣ vậy. Ngồi ra, khi sử dụng các chƣơng trình mơ phỏng
để thiết kế các bộ điều khiển ta cũng cần có mơ hình động lực học để ƣớc lƣợng các
thông số của bộ điều khiển và kiểm tra sơ bộ các đáp ứng của hệ thống khi có bộ
điều khiển. Nghiên cứu động lực học sẽ làm giảm công sức và giá thành của bƣớc
thử nghiệm kết cấu và điều khiển.
Có 2 cách tiếp cận chủ yếu để đƣa ra mơ hình động lực học của quadrotor đó
là sử dụng các phƣơng trình chuyển động của Newton-Euler hoặc sử dụng phƣơng
trình Lagrange loại 2. Cách tiếp cận của hai phƣơng pháp này hoàn toàn khác nhau.
Cách tiếp cận theo phƣơng pháp Lagrange dựa theo quan điểm về năng lƣợng trong
khi phƣơng pháp Newton-Euler lại tiếp cận dựa theo các cân bằng về lực và mô
men.
Đối với cách tiếp cận Lagrange
 Toàn bộ cơ hệ đƣợc nhìn nhƣ một vật.
 Các lực liên kết sẽ đƣợc tự động loại trừ bởi chúng không sinh công.
 Các phƣơng trình dạng “closed-form” đạt đƣợc trực tiếp.
 Cách tiếp cận này rất phù hợp để nghiên cứu các thuộc tính động lực học và
phân tích các sơ đồ điều khiển.
Đối với cách tếp Newton-Euler
 Các phƣơng trình động lực học đƣợc viết tách riêng cho mỗi vật.
 Phù hợp để tổng hợp cấu trúc điều khiển.
 Bằng cách loại các lực liên kết trong các phƣơng trình ta cũng thu đƣợc hệ

phƣơng trình động lực “closed-form” (tƣơng tự nhƣ đối với cách tiếp cận
Lagrange).
Với mục đích nghiên cứu mang tính chất hệ thống của luận văn nên phần này
ta chỉ sẽ mơ hình hố hệ thống quadrotor bằng phƣơng pháp Newton-Euler.

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2.1. Định nghĩa hệ quy chiếu
Quadrotor là một hệ thống 6 bậc tự do (6 DOF), vì vậy quadrotor cần 12 biến
trạng thái để mô tả, 6 biến trạng thái đầu tiên mô tả độ cao và các biến này thay đổi,
các biến

(các góc roll, pitch, yaw là góc quay Euler giữa hệ quy chiếu vật

thể và hệ quy chiếu mặt đất) và

là vận tốc góc roll, pitch, yaw của hệ quy

chiếu vật thể. Và để mô tả đầy đủ 12 biến trạng thái của quadrotor ta cần đến 2 hệ
quy chiếu, 2 hệ quy chiếu đƣợc định nghĩa nhƣ sau.

Hình 2.8: Hệ quy chiếu qn tính và hệ quy chiếu vật thể
Hệ quy chiếu B (
gốc hệ trục tọa độ
phía trƣớc,

là hệ quy chiếu gắn với khung quadrotor, với

gắn với thân quadrotor đƣợc đặt ở vị trí tâm,

là trục hƣớng bên trái và

là trục hƣớng

chỉ hƣớng vng góc với mặt phẳng

khung mơ hình và hƣớng lên. Hệ quy chiếu này tuân theo quy tắc bàn tay phải.
Trong hệ quy chiếu này ta sẽ đi xác định 4 vector:
 Vector vận tốc dài
 Vector vận tốc góc
 Vector lực

[

]:
[

[
]:

[

[ ], và moment xoắn

⇨ Vector vận tốc tổng quát
[

]

Hệ quy chiếu E (
theo quy tắc bàn tay phải. Với

]
[

]
] của quadrotor.

trong hệ tọa độ B là:
[

]

(2.1)

là hệ quy chiếu quán tính trái đất, đƣợc chọn
là gốc của hệ trục tọa độ,

Trang 13

chỉ hƣớng bắc,