Luận văn Thạc sỹ - Đề tài Mô hình QUADROTOR

Luận Văn Thạc Sĩ
LUẬN VĂN THẠC SỸ
ĐỀ TÀI:
MÔ HÌNH QUADROTOR

1
Luận Văn Thạc Sĩ
Thành phố Hồ Chí Minh
Mục Lục:
Chương 1 Tổng quan về đề tài 3
1.1 Đặt vấn đề 3
1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 4
1.2.1 Một số công trình liên quan nổi bật 5
1.2.2 Chi tiết một số công trình 6
1.2.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan 8
1.3 Phạm vi nghiên cứu 9
1.4 Tóm lược nội dung luận văn 10
Chương 2 Mô hình hóa hệ quadrotor 11
2.1Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor 11
2.2Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor 12
2.3Mô hình toán học quadrotor 15
Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển thăng bằng dùng thuật toán PD 14
3.1Bộ điều khiển PID 20
3.2Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển PD 21
3.3Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PD
3.3.1 Các mô phỏng thay đổi Kp, Kd với m = 0.5 kg 24
3.3.2 Mô phỏng thay đổi khối lượng tải m 32
3.3.3 Mô phỏng thay đổi điều kiện đầu 34
3.3.4 Mô phỏng tín hiệu đặt là xung vuông với tải thay đổi 40
3.4Xây dựng bộ điều khiển Back-stepping 24
3.5Mô phỏng bộ điều khiển 28

Chương 4 Xây dựng bộ điều khiển thăng bằng dùng bộ điều khiển
Back-stepping 41
4.1Giới thiệu phương pháp điều khiển Back stepping 41
4.2Cơ sở lý thuyết điều khiển Back stepping 42
4.3Xây dựng bộ điều khiển Back stepping cho mô hình 45
4.4Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển Back stepping 48
4.5Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Back stepping 50
4.5.1 Các mô phỏng thay đổi giá trị ban đầu của các tín
hiệu đưa vào với m = 0.8kg 51
4.5.2 Mô phỏng thay đổi khối lượng tải với góc roll 60

2
Luận Văn Thạc Sĩ
4.5.3 Các mô phỏng thay đổi hệ số alpha ở m 1kg 66
4.5.4 Mô phỏng tín hiệu đặt là xung vuông và đổi tải 77
Chương 5 Xây dựng mô hình thực tế và tiến hành thực nghiệm 79
5.1Cấu tạo phần cứng mô hình 80
5.2Kết quả thực nghiệm điều khiển PD 81
5.3Kết quả thực nghiệm điều khiển Back stepping 83
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển 84
6.1Đánh giá kết quả 84
6.2Hướng phát triển của đề tài 85
Tài liệu tham khảo 86
Lý lịch trích ngang 88

3
Luận Văn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề

Các thiết bị bay từ lâu đã là một ngành khoa học hàng đầu được con người đầu tư phát
triển mạnh mẽ. Trong đó các thiết bị bay có người lái đã có một lịch sử phát triển lâu dài
cũng như đang thống trị trong các ngành hàng không dân dụng và quân sự. Bên cạnh đó
các thiết bị bay không người lái đang mở một hướng phát triển mạnh mẽ và dài hạn cho
tương lai, và nó cũng đang tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt trong các lĩnh vực quan sát, do thám,
tiếp cận những nơi con người không đặt chân tới được
Mô hình quadrotor mà đề tài theo đuổi chính là một thiết bị bay rất độc đáo, với 4
cánh quạt, lực nâng của thiết bị là rất lớn, đồng thời khả năng xoay chuyển linh hoạt kết
hợp với cách cất cánh hạ cánh theo phương thẳng đứng thể hiện tính cơ động cao. Với
một mô hình nhỏ có thể mang theo camera để ghi hình cũng như chụp lại ảnh theo yêu
cầu của con người, tiến xa hơn là chuyên chở người, thiết bị
Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức
lớn trong phương 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.
Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lượng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự
an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. So sánh rất nhiều bộ điều
khiển như PID, Lyapunov, Backstepping, Sliding mode… học viên quyết định tiến tới
thực hiện đề tài với bộ điều khiển Backstepping. Mục tiêu hướng tới là điều khiển là ổn
định góc nghiêng 3 trục Roll, Pitch, Yaw của mô hình và bám theo góc nghiêng từ tín
hiệu đặt.

4
Luận Văn Thạc Sĩ
1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi
sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tương tự mô hình quadrotor của luận
văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước 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 lượng lớn. Mỗi thiết đều có đặc

điểm riêng tương ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu.
1.2.1 Một số công trình liên quan nổi bật

5
Luận Văn Thạc Sĩ
Đề tài
Trường ĐH
Hình minh họa
Mesicopter Stanford

P.
Cas
t
il
lo’
s
thesis
Univ. Compiègne

A. Clifton’s thesis Univ.
V
anderbil
t

P.
P
ounds
’
s
thesis

ANU

M. Kemper’s thesis
Univ. Oldenburg

P. Tournier’s
thesis
MIT

MD4-20
0
®
microDrones
GmbH

1.2.2 Chi tiết một số công trình

6
Hình 1.1 Một số mô hình nổi bật
Luận Văn Thạc Sĩ
Mesicopter (Stanford)
Được trang bị với những động cơ super mini, kích thước của mesicopter nhỏ gọn một
cách ấn tượng, chỉ tương đương với một đồng xu, như trong hình minh họa trên, cả mô
hình nằm gọn trong lòng bàn tay con người. Với kích thước đặc biệt nhỏ, hứa hẹn ứng
dụng của mesicopter trong lĩnh vực tình báo, cũng như giám sát là rất cao, nhưng đi kèm
theo nó cũng cần phát triển một hệ thống các thiết bị siêu nhỏ khác.

7
Hình 1.2 Mô hình Mesicopter (Stanford)
Luận Văn Thạc Sĩ

8
Luận Văn Thạc Sĩ
X4-flyer (ANU)
Với đề tài
X4 flyer
với một kết cấu cơ khí vững chắc khả năng chịu lực cũng như
nâng vật của máy bay trường ANU là rất điển hình, ngoài phần thân đã nặng 4kg,
quadrotor này còn có thể mang thêm 1kg tải kèm theo.
MD4-200 (microDrones GmbH).

9
Hình 1.3 Mô hình X4-flyer (ANU)
Hình 1.4 Mô hình MD4-200 (microDrones GmbH)
Luận Văn Thạc Sĩ
MD4-200 là mẫu ấn tượng nhất. Đây là một sản phẩm thương mại đã được đăng kí, khả
năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hoàn hảo, đổi hướng 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 được mô hình ghi lại rất sắc nét và
không bị rung.
1.2.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan.
Đi theo khả năng ứng dụng cao, hướng phát triển rộng, các nghiên cứu về
quadroto đã được chú ý rất lớn qua nhiều công trình nghiên cứu, các đề tài khoa học của
nhiều trường đại học cũng như các viện nghiên cứu trên thế giới. Các tài liệu tham khảo
được nêu ở cuối đề cương chỉ là một phần rất nhỏ trong vô vàn những tài liệu hay và thiết
thực này.
Học viên chọn lọc được một số phương pháp điều khiển điều khiển mô hình máy bay
không người lái quadrotor tiêu biểu, có thể áp dụng vào đề tài:
 Phương pháp điều khiển cuốn chiếu (Back-stepping control)
 Phương pháp điều khiển trượt (sliding mode)

 Phương pháp điều khiển thông minh (Fuzzy, Neuron…)

10
Luận Văn Thạc Sĩ
1.3 Phạm vi nghiên cứu
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 nhận thấy
bộ điều khiển Backstepping là khả thi trong thực hiện nhất. 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.
Các công việc thực hiện trong đề tài:
- Tìm hiểu bộ điều khiển Back-stepping.
- Áp dụng bộ điều khiển Back- stepping xây dựng bộ điều khiển cho mô hình
quadrotor.
- Hiện thực thuật toán điều khiển đưa vào sử dụng vi điều khiển nhúng
STM32f407VG của hãng ST. Đồng thời cũng đọc tín hiệu sensor, điều khiển các
driver động cơ cánh quạt chính bằng MCU này.
- Thu thập các kết quả, so sánh, tổng kết, báo cáo.
Trên cơ sở những kết quả thu được từ thực nghiệm thự tế, học viên tiến hành phân
tích những ưu khuyết điểm từ đó tìm ra hướng tốt hơn để cải thiện bộ điều khiển cũng
như nâng cao hơn độ chính xác của kết quả.
1.4 Tóm lược nội dung luận văn
Luận văn gồm 6 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, xu hướng phát
triển của các mô hình tương tự như trong luận văn. Khả năng ứng dụng thực tiễn, những
ưu khuyết điểm của mô hình, mức độ áp dụng của các thuật toán.
Chương 2: Trình bày chi tiết mô hình toán học mô hình quadrotor. Từ mô hình toán học
tạo bước đệm để thiết kế bộ điều khiển tiến hành mô phỏng và thực nghiệm.

11
Luận Văn Thạc Sĩ
Chương 3: Trình bày bộ điều khiển PID, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế mô hình
simulink tiến hành mô phỏng bộ điều khiển PD cho mô hình, tổng hợp các kết quả mô
phỏng, nhận xét về những mô phỏng.
Chương 4: Trình bày bộ điều khiển Back stepping, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế mô
hình simulink tiến hành mô phỏng bộ điều khiển Back stepping cho mô hình quadrotor,
tổng hợp các kết quả mô phỏng, nhận xét
Chương 5: Mô tả phần cứng thực tế mô hình quadrotor, chi tiết các bộ phận cấu thành.
Trình bày kết quả thực nghiệm hai bộ điều khiển PD và Back stepping, nhận xét các kết
quả thu được.
Chương 6: Kết luận về các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm, đánh giá điểm
đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển để xây dựng hoàn thiện hơn nữa mô hình
cũng như các thuật toán điều khiển.

12
Luận Văn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH HÓA HỆ QUADROTOR
2.1 Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor
Hình 2.1 Cấu tạo quadrotor
- Quadrotor có 4 động cơ ơ 4 góc quay 4 cánh quạt với 2 cặp cánh quạt xen kẽ quay
ngược chiều, và 2 cánh quạt đối xứng quay cùng chiều nhau để chống lại moment
xoắn.
- Bộ điều khiển và cảm biến thường được đặt ở giữa trung tâm mô hình để giữ
thăng bằng, và tiện lợi trong việc kết nối điều khiển tới 4 motor.

13
Luận Văn Thạc Sĩ
2.2 Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor

- Trục x là véc tơ hướng từ motor3 tới motor1, góc xoay quanh trục x là góc roll
- Trục y là véc tơ hướng từ motor4 tới motor2, góc xoay quanh trục y là góc pitch
- Trục z là véc tơ vuông góc với x,y và hướng xuống, góc xuay quanh z là góc yaw

14
Hình 2.2
Hệ tọa độ đặt trên quadrotor
Luận Văn Thạc Sĩ
(a) Lực 2 motor 1,3 mạnh hơn để điều khiển quay ngược chiều kim đồng hồ
(b) Lực 2 motor 2,4 mạnh hơn để điều khiển quay cùng chiều kim đồng hồ
(c) Lực motor4 mạnh, motor2 yếu điều khiển xoay quanh trục roll theo chiều
kim đồng hồ
(d) Lực motor2 mạnh, motor4 yếu điều khiển xoay quanh trục roll ngược chiều
kim đồng hồ

15
Hình 2.3
Luận Văn Thạc Sĩ
(e) Lực 4 motor tăng đều để bay lên.
(f) Lực motor1 mạnh, motor3 yếu điều khiển xoay quanh trục pitch theo chiều
kim đồng hồ
(g) Lực 4 mortor giảm đều để hạ xuống
(h) Lực motor3 mạnh, motor1 yếu điều khiển xoay quanh trục roll ngược chiều
kim đồng hồ.

16
Hình 2.4
Luận Văn Thạc Sĩ
2.3 Mô hình toán học quadrotor
Sau những nguyên tắc cơ bản về chuyển động và xác định tọa độ ta tiến hành mô

hình hóa đối tượng quadrotor tìm phương trình động học tương đối để dễ dàng hơn trong
việc điều khiển mô hình.
Phân tích mô hình:
Mỗi điểm trên hệ tọa độ mô hình ta có thể chuyển sang hệ tọa độ mặt đất theo hệ sau
(với s:sin, c:cos )

17
Hình 2.5 Hệ tọa độ đặt trên mô hình
Luận Văn Thạc Sĩ
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
X
Y
Z
r c c x c s s s c y c s c s s z
r s c x s s s c c y s s c c s z
r s x c s y c c z
ψ θ ψ θ φ ψ φ ψ θ φ ψ φ
ψ θ ψ θ φ ψ φ ψ θ φ ψ φ
θ θ φ θ φ
= + − + +


= + − + +


= − + +

(2.3.1)

Phương trình vận tốc ở mỗi điểm trên thân quadrotor
2 2 2 2
X Y Z
v v v v
= + +
(2.3.2)
Từ phương trình (3.1.2) kết hợp với phương trình quán tính ta đượng phương trình đặc
trưng của cơ năng:
2 2 2
1 1 1
( ) ( ) ( )
2 2 2
xx yy zz
T I s I c s c I s c
φ ψ θ θ φ ψ φ θ θ φ ψ φ
= − + + + −
& & &
& & &
(2.3.3)
Từ đây suy ra phương trình :
( )( ) ( )( ) ( )( )V xdm x gs ydm y gs c zdm z gc c
θ φ θ φ θ
= − + +
∫ ∫ ∫
(2.3.4)
Dùng phương trình Lagrang để tìm phương trình chuyển động:
L=T-V,
( )
i
i i

d L L
T
dt q q
∂ ∂
= −
∂ ∂
(2.3.5)
Tiếp tục khai triển theo Ti và qi ta được hệ 3 phương trình chuyển động như sau:
( )
( )
( )
xx yy zz
yy zz xx
zz xx yy
I I I
I I I
I I I
φ θψ
θ φψ
ψ φθ

= −


= −


= −



&& &
&
&& &
&
& &
&&
(2.3.6)
Ngoài ra còn có các tác động lực ngoài khác:

18
Luận Văn Thạc Sĩ
2 2
4 2
2 2
3 1
2 2 2 2
1 2 3 4
( )
( )
( )
x
y
z
bl
bl
d
τ
τ
τ


= Ω −Ω

= Ω −Ω


= Ω −Ω + Ω −Ω

(2.3.7)
Tiếp theo là lực hổi chuyển ở thân do tác động quay của cánh quạt
1 3 2 4
2 4 1 3
' ( )
' ( )
x r y
y r x
J w
J w
τ
τ
= Ω + Ω − Ω −Ω



= Ω + Ω −Ω − Ω


(2.3.8)
Phương trình mô hình động học biến thiên:
( )
( )

( )
xx yy zz r x
yy zz xx r y
zz xx yy z
I I I J
I I I J
I I I
φ θψ θ τ
θ φψ φ τ
ψ φθ τ

= − − Ω +


= − + Ω +


= − +


&& & &
&
&& & &
&
& &
&&
(2.3.9)
Phươn trình đặc trưng cho motor:
mot e m
m

m m d
di
L u R i k
dt
d
J
dt
ω
ω
τ τ

= − −




= −


(2.3.10)
Do ta dùng những motor với hệ số cảm kháng rất thấp nên phương trình thứ 2 có thể viết
thành:
2
m m m
m m d
mot mot
d k k
J u
dt R R
ω

ω τ
= − − +
(2.3.11)
Mô hình hóa theo phương trình Newton-Euler có dạng
3 3
0
0
mI mV F
V
I I
ω
ω ω τ
ω
×
×
 
     
+ =
 
     
×
     
 
&
&
(2.3.12)

19
Luận Văn Thạc Sĩ
Với các phương trình lực và moment tác động như sau:

Moment xoắn theo trục x (rolling moments):
Lực hồi chuyển ở thân
( )
yy zz
I I
θψ
−
&
&
Lực hồi chuyển ở cánh quạt
r r
J
θ
Ω
&
Ảnh hưởng chỉnh xoắn
2 4
( )l T T− +
Moment giữa khi tiến:
4
1
( )
yi
i
h H
=
∑
Moment xoắn khi lùi
4
1

1
( 1)
i
mxi
i
R
+
=
−
∑
Moment xoắn theo trục y (Pitching moments):
Lực hồi chuyển ở thân
( )
zz xx
I I
φψ
−
&
&
Lực hồi chuyển ở cánh quạt
r r
J
φ
Ω
&
Ảnh hưởng chỉnh xoắn
1 3
( )l T T+
Moment giữa khi tiến:
4

1
( )
xi
i
h H
=
∑
Moment xoắn khi lùi
4
1
1
( 1)
i
myi
i
R
+
=
−
∑
Moment xoắn theo trục z (Yawing moments):
Lực hồi chuyển ở thân
( )
xx yy
I I
θφ
−
& &
Lực quán tính xoắn
r r

J
Ω
&
Lực lệch giữa khi tiến:
2 4
( )
x x
l H H
+
Lực lệch giữa khi lùi
1 3
( )
y y
l H H
− +
Lực tác động dọc theo trục z:

20
Luận Văn Thạc Sĩ
Lực tác động:
4
1
( )
i
i
c c T
ψ φ
=
∑
Trọng lượng mg

Lực tác động dọc theo trục x:
Lực tác động:
4
1
( )( )
i
i
c s c s c T
ψ φ ψ θ φ
=
+
∑
Lực chính lên trục x
4
1
xi
i
H
=
−
∑
Lực ma sát
1
| |
2
x c
C A x x
ρ
& &
Lực tác động dọc theo trục y:

Lực tác động:
4
1
( )( )
i
i
c s s s c T
ψ φ ψ θ φ
=
− +
∑
Lực chính lên trục y
4
1
yi
i
H
=
−
∑
Lực ma sát
1
| |
2
y c
C A y y
ρ
& &
Phương trình động học:
Tổng hợp từ phương trình Newton-Euler và các phương trình mô tả lực, moment trên ta

được phương trình động học sau:

21
Luận Văn Thạc Sĩ
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
1
1
4 4
2 4
1 1
4 4
1 3
1 1
4
1 4 1 3
1
1
( ) ( ) 1
( ) ( ) 1
1 ( ) ( )
( )
i
i
i
xx yy zz r r yi mxi
i i

yy zz xx r r xi myi
i i
zz xx yy r r i x x y y
i
i
i
I I I J l T T h H R
I I I J l T T h H R
I I I J Q l H H l H H
mz mg c c Q
φ θψ θ
θ φψ φ
ψ θφ
ψ φ
+
+
= =
= =
=
=
= − + Ω + − + − + −
= − + Ω + + − + −
= − + Ω + − + − + − +
= −
∑ ∑
∑ ∑
∑
&& & &
&
&& & &

&
& &
&
&&
&&
4
4 4
1 1
4 4
1 1
1
( ) | |
2
1
( ) | |
2
i xi x c
i i
i yi y c
i i
mx s s s c c T H C A x x
my c s s s c T H C A y y
ψ φ ψ θ φ ρ
ψ φ ψ θ φ ρ
= =
= =















= + − −



= − + − −


∑
∑ ∑
∑ ∑
&& & &
&& & &
(2.3.13)

22
Luận Văn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THĂNG BẰNG
DÙNG THUẬT TOÁN PD
3.1 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là bộ điểu khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo của hệ thống với
giá trị đặt (Setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần:
• P (proportional) tạo tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch (Error).
P = Kp . e(t)
• I (intergral) tạo tín hiệu điều khiển tỷ lệ với khâu tích phân thời gian của
sai lệch.
i. ( ).d I K e
τ τ
=
∫
• D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với khâu vi phân của sai lệch
D = Kd . de(t)/dt

23
Luận Văn Thạc Sĩ
3.2 Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển PD
Hình 3.2 Sơ đồ bộ điều khiển PID

24
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 3.3 Khối điều khiển rotor
Hình 3.4 Khối mô phỏng motor

25