nghiên cứu chế tạo robot bay quadrotor

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG


TÓM TẮT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CẤP TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BAY QUADROTOR
Chủ nhiệm đề tài: KS.Nguyễn Thanh Sơn
TP.HCM, Tháng 9, Năm 2013
1
MỤC LỤC
B GIAO THÔNG V N T IỘ Ậ Ả 1
 1
1
1
TÓM T TẮ 1
TÀI NGHIÊN C U KHOA H CĐỀ Ứ Ọ 1
C P TR NGẤ ƯỜ 1
Nguyên lý ho t ng:ạ độ 17
2.1.2.1. H quy chi u quán tínhệ ế 17
2.1.2.2. H t a v t thệ ọ độ ậ ể 18
2.1.2.3. H t a v t th - 1ệ ọ độ ậ ể 18
2.1.2.4. H t a v t th -ệ ọ độ ậ ể 19
2.1.2.5. H t a thân Fbệ ọ độ 20
2.1.3 ng h c và ng l c h c quadrotorĐộ ọ độ ự ọ 20
2.1.3.1. Các bi n tr ng thái c a Quadrotor.ế ạ ủ 20
2.1.3.2. ng h c QuadrotorĐộ ọ 22
2.1.3.3. ng l c h c QuadrotorĐộ ự ọ 23
2.1.3.4.L c và momentự 26

2.1.3.5. Các ph ng trình mô ph ng n gi n ươ ỏ đơ ả để
thi t k i u khi nế ếđ ề ể 29
2.2. Mô ph ng ng l c h c Quadrotorỏ độ ự ọ 31
2.2.1 Ph ng pháp mô ph ng bài toán c h c sươ ỏ ơ ọ ử
d ng công c S – Function trong Matlab-Simulinkụ ụ
33
2
2.2.1.1. Gi i thi u S-functionớ ệ 33
2.2.1.2. Các b c mô ph ng v i m t bài toánướ ỏ ớ ộ 33
2.2.2 Mô ph ng ng l c h c, xây d ng b i uỏ độ ự ọ ự ộ đ ề
khi n cho Quadrotorể 33
3.1 Mô hình thi t k 3Dế ế 36
3.1.1 Gia công các chi ti t và l p ghépế ắ 37
3.1.1.1.Cánh tay 38
3.1.1.2.T m n i trung tâmấ ố 38
3.1.1.3.T m gá m chấ ạ 38
3.1.1.4.Chân 38
3.1.1.5.B c ch nạ ặ 38
3.1.1.6.M t s i m c n l u ý trong ph n nàyộ ốđ ể ầ ư ầ 38
3.2 Thi t k h i u khi n QUAROTORế ế ệđ ề ể 39
3.2.1 Sensor GYROSCOPE 39
3.2.2 M ch i u khi nạ đ ề ể 40
3.2.3 Module i u khi n t xa RC (Radio Control)đ ề ể ừ 44
3.2.4 H th ng ph n c ngệ ố ầ ứ 45
3.2.5 Thu t toán i u khi nậ đ ề ể 47
3.3 Th nghi m và ánh giáử ệ đ 48
K T LU NẾ Ậ 50
DANH M C TÀI LI U THAM KH OỤ Ệ Ả 51
PH L CỤ Ụ 52
Code mô ph ng ch ng trình matlabỏ ươ 52

3.CODE CH NG TRÌNH I U KHI NƯƠ ĐỀ Ể 57
DANH MỤC HÌNH
3
4
MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với những thành tựu đạt được trong các lĩnh vực khoa học khác
nhau, từ những kết quả nghiên cứu, ứng dụng vào trong cuộc sống hàng ngày của con
người…, cho đến bước tiến vĩ đại của loài người trong việc chinh phục vũ trụ. Ngành
Cơ điện tử đang ngày càng chứng tỏ là một trong những ngành công nghệ mũi nhọn
mà các quốc gia trong đó có Việt Nam đang đẩy mạnh nghiên cứu phát triển. Tuy là
ngành công nghệ có thời gian ra đời rất muộn so với những ngành khoa học khác,
nhưng những sản phẩm Cơ điện tử đã có mặt hầu khắp thị trường công nghệ tiên tiến
trên thế giới. Nó đã thể hiện các tính năng nổi trội, chất lượng ổn định, độ tin cậy cao
và giá thành thì ngày càng thỏa mãn người tiêu dùng và các doanh nghiệp…
Cùng với các sản phẩm là những thiết bị kĩ thuật và máy móc hiện đại, thì robot
mới là sản phẩm đặc trưng nhất của ngành Cơ điện tử, nó thể hiện rõ nét các yếu tố
liên kết hữu cơ với nhau: cơ học, cơ khí, điện tử và điều khiển, để tạo ra ngành Cơ
điện tử. Việc ứng dụng các loại robot khác nhau trong sản xuất và sinh hoạt đang ngày
càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới. Bởi robot có thể
làm việc thay thế con người trong môi trường khác nhau có thể gây nguy hiểm cho con
người. Bên cạnh đó các thảm họa thiên nhiên môi trường đang hàng ngày đe dọa đến
cuộc sống của con người: động đất, sóng thần, cháy rừng, ô nhiễm, phóng xạ… đã
buộc con người phải tạo ra những thiết bị cảnh báo nguy cơ, đo đạc đất đai, trinh sát
địa hình ghi số liệu , nhằm phục vụ không chỉ trong dân sinh mà cả trong lĩnh vực
quốc phòng an ninh.
Một trong những loại robot được quan tâm phát triển trong những năm gần đây là
phương tiện bay ko người lái (UAV-Unmanned Aerial Vehicle ), đáp ứng một cách
linh hoạt các yêu cầu của con người. Đã có rất nhiều các viện khoa học, trường đại học
trên thế giới đã tham gia nghiên cứu và phát triển ứng loại robot này.Ở Việt Nam 1 số
trường đại học như Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh,

Viện Khoa học Công Nghê Bộ Quốc Phòng đã có những kết quả nghiên cứu khả quan
bước đầu song còn nhiều khó khăn và còn là quãng đường dài để đi tới mộtsản phẩm
hoàn chỉnh.
Từ những điều nêu trên, người thực hiện xin chọn đề tài
“Nghiên cứu và chế tạo robot bay QUADROTOR” trong trường ĐH Giao Thông
Vận Tải TP Hồ Chí Minh
1. Mục đích nghiên cứu
5
-Nghiên cứu, tiếp cận từng bước và làm chủ công nghệ chế tạo robot bay.
-Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên nghiên cứu và học tập.
2. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp luận cơ điện tử trong tính toán và thiết kế chế tạo robot.
Ở phương pháp này việc thiết kế có xét đến tính liên ngành và tích hợp hệ thống, cụ
thể:
- Nghiên cứu các tài liệuvà thiết kế có sẵn trong và ngoài nước.
- Tính toán thiết kế mô hình hóa, mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống và loại
trừ các lỗi khi thiết kế.
- Thiết kế mô hình tổng hợp dựa trên mô hình ảo, bao gồm: mô hình cơ khí, mô
hình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến.
- Thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh.
3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài về quadrotor là 1 đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực: cơ
khí,khí động học, điện tử, điều khiển… Người thực hiện đặt mục tiêu là giải quyết bài
toán nguyên lý của quadrotor với những điều kiện như sau:
- Nghiên cứu loại Multirotorcó 4 chong chóng(Quadrotor)công suất nhỏ, sử dụng
động cơ không chổi than.
- Sử dụng cảm biến vận tốc góc.
- Hoạt động trong phòng thí nghiệm và ngoài trời.
- Lực nâng tối đa robot 1.5kg.
- Tập trung vào bài toán điều khiển thăng bằng.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• Ý nghĩa khoa học
Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụng
Quadrotor có tính phức tạp và hoàn thiện hơn. Đồng thời có thể áp dụng những kết quả
nghiên cứu được, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài sau này
•Ý nghĩa thực tiễn
- Trang bị những camera độ phân giải cao với các ứng dụng quay phim chụp ảnh
từ trên cao cho mục đích giám sát, thăm dò hay giải trí…
- Tích hợp hệ thống GPS và giải quyết bài toán điều khiển vị trí để Quadrotor có
thể bay tự động.
6
- Ngoài ra, tích hợp thêm các thiết bị phụ trợ cho từng loại nhiệm vụ như việc lắp
thêm cảm biến siêu âm, cảm biến từ trường, cảm biến ảnh 3D… để tránh vật cản, xây
dựng bản đồ, dò tìm mục tiêu…
- Trong các ứng dụng quân sự có thể tích hợp thêm vũ khí để do thám hay tấn
công mục tiêu.
-Những ứng dụng thú vị trong phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm các lý thuyết hay
thuật toán điều khiển mới.
- Xa hơn, nó có thể mang lại ý tưởng cho phương tiện giao thông trong tương lai.
7
Chương 1.TỔNG QUAN
1.1 Lịch sử phát triển các phương tiện bay không người lái
1.1.1Khái niệm về thiết bị bay không người lái _UAV
Theo các chuyên gia hàng không, UAV đầu tiên có lẽ là chiếc Aerial Target của
giáo sư người Anh tên là Archibald Montgomery Low sáng chế năm 1916, [3]. Theo
đúng nghĩa thì Aerial Target là một chiếc máy bay điều khiển từ xa qua sóng radio
giống như những món đồ chơi ngày nay. Trải qua Thế Chiến I và II, UAV được phát
triển theo thời gian để đáp ứng những nhu cầu của quân đội. Tiêu biểu nhất cho thời
điểm này là những chiếc được chế tạo để huấn luyện các tay súng phòng không. Sau
thế chiến thứ II, động cơ phản lực được dùng cho những chiếc UAV như chiếc

Teledyne Ryan Firebee I vào thập niên 1950.
Với sự ra đời của máy tính
nhanh hơn và nhỏ hơn trong thập
niên 1980 và 1990, lịch sử hàng
không đã chứng kiến sự biến đổi
nhanh chưa từng có. Các UAV được
trang bị hệ thống điều khiển để có thể
hoàn toàn tự bay theo đường bay
định trước nhờ vào hệ thống định vị
vệ tinh (GPS). Thêm vào đó sự phát
triển của kỹ nghệ vật liệu hợp chất
(composite materials) như sợi carbon
và polyme, UAV trở lên nhẹ nhàng
hơn nhưng lại chuyên chở nhiều bộ phận với hệ thống cảm biến đa chức năng. Nhiều
tính thực dụng như tiếp nhiên liệu trên không, tự động đáp, tự động tránh va chạm trên
không, bay theo đội hình… không còn là độc quyền của máy bay có người lái. Cho
nên những yếu tố quan trọng này giúp củng cố địa vị của UAV trong ngành hàng
không không gian. Yếu tố không người lái giúp cho UAV được sản xuất rẻ hơn. Chính
vì vậy mà UAV được dùng trong cả quốc phòng và dân sự, vấn đề phi hành đoàn
không còn quan trọng làm cho chỉ số an toàn trong thiết kế không cần thiết phải cao
như trường hợp máy bay có người lái. UAV có khả năng chứa nhiều nhiên liệu để có
thể bay liên tục vài ngày liền mà không cần hạ cánh. Lợi điểm này giúp tiết kiệm chi
8
Hình 1.1. Máy bay không người lái Aerial
phí hoạt động rất lớn trong việc trinh sát, cung cấp tình báo hay quan sát thảm họa do
thiên nhiên gây ra.
Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan chủ yếu
đến các hoạt động quân sự như: hoạt động tình báo, do thám, trinh sát địa hình, xác
định vị trí mục tiêu, dẫn đường cho các phương tiện bay khác, cũng như được sử dụng
để tấn công mục tiêu Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ,

Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga…, đã đầu tư hàng triệu đôla cho các công trình
nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác
nhau được thiết kế và đưa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng
dụng UAV trong dân sự cũng được quan tâm nhưquan sát núi lửa, điều tra môi trường,
bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp… Vì vậy ngày
càng có nhiều các ứng dụng thương mại được phát triển với UAV. Có thể thấy rõ điều
này thông qua hệ thống cảm biến hiện đại như quang phổ điện từ, sinh học và hóa học.
Các cảm biến quang phổ điện từ bao gồm đơn giản như máy quay phim, chụp hình cho
đến tối tân hơn như cảm biến nhiệt qua tia hồng ngoại, radar. Cảm biến sinh học có
khả năng phát hiện các vi sinh vật trong không khí. Cảm biến hóa học dùng laser
spectroscopy để phân tích nồng độ các nguyên tố trong không khí. Ngoài chức năng
cảm biến UAV còn được dùng trong những trường hợp nguy hiểm. Một thí dụ là chiếc
Aerosonde cân nặng 16kg, thuộc công ty Aerosonde Pty Ltd, có thể bay cận bên cơn
bão và truyền dữ liệu trực tiếp về Trung tâm Bão Quốc gia tại tiểu bang Florida, Hoa
Kỳ. Aerosonde có thể bay và đo lường áp suất, nhiệt độ gần mặt nước biển, điều mà
máy bay có người lái khó có thể làm một cách an toàn.
Ngày nay, một số lượng
lớn UAV đượcphát triển dựa
trên các nhiệm vụ yêu cầu.
Trong đó công nghệ chế tạo
các UAV hiện đang là công
nghệ hàng không hiện đại.
Không chỉ phục vụ đắc lực
cho hoạt động an ninh quốc
phòng, mà còn phục vụ một
cách hữu hiệu đời sống xã
hội. Một thực tế là trên thế
giới việc nghiên cứu và phát
triển các UAV không chỉ nằm trong phạm vi công nghệ và ứng dụng, mà còn mở rộng
sang phát triển chủng loại mô hình kết cấu, kích thước và hình dáng khí động lực học

9
Hình 1.2. UAV Aerosonde thu thập dữ liệu thời tiết
của UAV, đồng thời còn xem xét đến các khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của mỗi
loại mô hình thiết bị UAV đó. Do đó, theo một cách phân loại, mà các UAV có thể là
nhóm phương tiện có khả năng bay lên thẳng hoặc thuộc nhóm phương tiện bay cánh
bằng. Thông qua số lượng các UAV đang được nghiên cứu ứng dụng, cho thấy không
thể phụ nhận khả năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh
hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu
vực thấp hơn so với mặt nước biển, hẹp về không gian, hoặc đòi hỏi phải ổn định vị trí
trong thời gian nhất định, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó
thông qua các trạm điều khiển. Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng
như các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, Quadrotor đều đã được phát
triển từ lâu. Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định.
1.1.2Phương tiện bay nhiều chong chóng và Quadrotor
Chiếc Muticopter đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa
học người Pháp, Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo [6]. Nó được mang tên là
“Breguet – Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầuđược đưa lànó có thểcất cánh khỏi mặt
đất với 1 phi công. Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánhquạt. Mỗi
cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ
động cơ cho các cánh. Bộ khung củachiếc quadrotor này làm từ các ống thép. Tổng
trọng lượng của nó vào khoảng 500kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai-
Pháp vào năm 1907, nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.
Hình 1.3. Breguet- Richet Gyroplane
Đến năm 1920,
Etienne Oemichen, đã chế
tạo một chiếc Multicopter
với 8 cánh quạt linh hoạt
nhằm điều khiển và tạo lực
đẩy.Ban đầu, nó được gắn
thêm mộtkhí cầu để nâng

và giữ ổn định cho cỗ máy
10
Hình 1. 4. Breguet- Richet Gyroplane
này.Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc multicopter bay mà không cần
sự trợ giúp của khí cầu. Sau đó, nó không bao giờ được sử dụng nữa [6].
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết
kếchiếc Multicopterkhổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã được điều
khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra
nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc Multicopter
này được đặt tên là ”Bạch tuộc bay”. Nhưng dự án này bị hủy bỏ ngay lập tức vì khả
năng bay thấp, giá thành cao [6].
Hình 1. 5 Bạch tuộc bay
Từ đó, các cấu hình của máy bay nhiều động cơ không còn được chú ý như
trước. Cho đến những năm 1980, sự phát triển của thành tựu khoa học kĩ thuật mới
cùng với sự ra đời của máy tính. Multicopter lại được quan tâm trở lại với đơn giản,
khả năng mang tải cao và giá thành thấp.
Chiếc Draganflyer [7] của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếc
Quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng. Nó được trang bị một
bảng mạch điều khiển vị trí. Draganflyer có thể rất dễ dàng bay so với một chiếc trực
thăng thông thường. Khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹ
nhưng đủ bền. Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày
nay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục
vụ cho các công việc nghiên cứu.
Hình 1. 6 Draganflyer
11
Chiếc Quattrocopter [8] cũng là một trong những chiếcQuadrotor siêu nhỏđáng
được quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu. Nó có trọng lượng khá nhỏ
(0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác. Quattrocopter là chiếc
Quadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống công nghiệp và các ứng
dụng quốc phòng. Một bảng mạch điều khiển có tên hệ thông tự lái hàng không siêu

nhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm biến dữ liệu áp suất không khí
và một vi điều khiển.
Hình 1. 7 Quattrocopter
Chiếc X4 flyer Mark II , như trong hình 1.8, được thiết kế và chế tạo tại Đại học
Quốc gia Úc nhằm cho sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng. Nó
được thiết kế như một ứng dụng trong nhà.
Hình 1. 8 X4- flyer Mark II
Một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford [10], với hệ thống kiểm tra tĩnh cho
quá trình điều khiển đa trạm (STARMAC), đã sử dụng Quadrotor như một thiết bị cơ
bản để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không
có ích. Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí
bằng vòng lặp. Các thiết bị giao tiếp và điều khiển động cơ hoạt động qua 2 vi điều
12
khiển PIC. Mạch cảm biến bao gồm một khốiIMU có chức năng đưa ra 9 trạng thái
của hệ thống (nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một
bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biến siêu âm. Thuật toán lọc Kalman
được đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến. Ngoài ra nó còn được trang bị
bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao đổi thông tin giữa Quadrotor và
trạm mặt đất. Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trình
Labview nhằm kết nối trực tiếp Quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phân
tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc Quadrotor.
Hình 1. 9 STARMAC
Scott D. Hanford [5] đã cố gắng chế tạo mộthệ thống kiểm tra trạng thái tĩnh giá
rẻ cho Quadrotor.Hệ thống bao gồm các gyro tương tự, một accelerometer và vi điều
khiển PIC. Một bộ điều khiển tỷ lệ tích phân được thiết kế cho quá trình điều khiển
trạng thái ổn định.
Hình 1.13 biểu diễn hệ thống kiểm tra một bậc tự do, tức trạng thái cân bằng theo
một phương. Sau đó tiếp tục kiểm tra cân bằng trên phương còn lại. Cuối cùng, toàn
bộ các bộ phận lắp ghép trên một quadrotor tạo thành giá thửWhitman [5], hình 1.14.
Nó cho phép đưa ramột giới hạn của các bậc tự do nhằm bảo vệ khỏi sự va chạm.

13
Hình 1. 10 Hệ thống kiểm tra 2 cánh quạt
Hình 1. 11 Quadrotor được gắn trên hệ
thống thực hành Whitman
Liên quan tới công việc nghiên cứu đã và đang được tiến hành trong quá trình
phát triển các thuật toán điều khiển cho Quadrotor, Samir Bouabdallah [10] đã so sánh
các trạng thái cân bằng của bộ điều khiển PID và LQ hay Ming Chen [11] đã nghiên
cứu tích hợp đồng thời bộ điều khiển dự đoán mô phỏng và bộ điều khiển 2 bậc tự do
cho Quadrotor.
Erdinc Altu [12] đã phát triển bộ điều khiển 2 vị trí cho Quadrotor. Nó cơ bản
bao gồmđiều khiển phản hồi tuyến tính và bộ điều khiển bước lùi. Hệ thống phản hồi
trực tiếp đã được sử dụng để đo vị trí của quadrotor.
Và đặc biệt, J. Dunfied [13] đã xây dựng bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo. Quá trình
nghiên cứu bao gồm dữ liệu dạy tổng quátkhi bay cho Quadrotor, cập nhật dữ liệu cho
hệ thống bằng Matlab trên máy tính. Bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo sử dụng vi điều
khiển Motorola MC68HC912DG128 và thiết lập cấu trúc điều khiển trong vi điều
khiển. Hai cảm biến nghiêng, một la bàn và 3 gyro được sử dụng để cung cấp dữ liệu
dạy và phản hồi cho bộ điều khiển.J. Dunfied còn chỉ ra những vấn đề tiềm ẩn trong
quá trình tạo ra dữ liệu dạy có giá trị, tốc độ xử lí của vi điều khiển và tốc độ trao đổi
dữ liêu như giới hạn của dải lấy mẫu từ cảm biến và các tín hiệu điều khiển.
Công việc nghiên cứu đã được quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên cứu khác
nhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng Quadrotor là một lựa chọn tốtcho các ứng dụng
của UAV so với một máy bay trực thăng thông thường. Quadrotor ngày càng được
ứng dụng rộng rãi mọi lĩnh vực quân sự cũng như dân sự. Nó đã mang lại cho các nhà
khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu.
1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu đề tài
1.2.1 Nhiệm vụ
-Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Quadrotor
14
-Xây dựng mô hình toán học của Quadrotor

-Xây dựng thuật toán điều khiển Quadrotor
-Mô phỏng mô hình Quadrotor và sử dụng Matlab
- Thi công mô hình Quadrotor
1.2.2 Mục tiêu
- Mô tả được mô hình toán học Quadrotor
- Xây dựng thuật toán điều khiển
- Mô hình thi công phải đáp ứng được các vấn đề về cơ khí và điều khiển, thẩm
mỹ, giá thành thấp.
15
Chương 2.CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN
2.1 Giới thiệu Quadrotor
Phương tiện bay không người lái Quadrotor hay còn gọi là robot bay kiểu
Quadrotor (gọi tắt Quadrotor) là thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng, có bốn
cánh quạt nằm trong cùng một mặt phẳng và được gắn lên bốn động cơ được đặt đối
xứng qua tâm của một khung hình chữ thập. Hình dáng hình học và quá trình hoạt
động của Quadrotor được mô tả như hình dưới đây:
Hình 2. 1 Cấu tạo mô hình và hoạt động của Quadrotor
Quadrotor có nhiều kích cỡ trong thực tế, nó có thể có kích cỡ lớn để chở người
và hàng hóa, và kích cỡ nhỏ để hoạt động trong những phạm vi nhỏ hẹp ngay cả trong
nhà. Vì có nhiều ứng dụng cho nên Quadrotor có nhiều hình dáng và tính năng khác
nhau phục vụ cho việc nghiên cứu những ứng dụng đó.
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo: Thân robot thường có dạng chữ thập đối xứng nhau qua tâm. Bốn cánh
quạt giống nhau về kích cỡ, với hai cặp cánh giống hệt nhau, một cặp cánh ngược và
một cặp cánh xuôi. Mỗi cặp cánh gắn lên một cặp động cơ và gá vào khung chữ thập ở
16
vị trí mà cặp cánh đó đối xứng qua tâm. ở đây thì bốn động cơ giống nhau và hoạt
động sao cho 2 cánh quạt đối diện quay cùng chiều, 2 cánh quạt kề nhau quay ngược
chiều. Sở dĩ có cấu tạo như vậy là nhằm mục đích chống xoay thân khi cánh quay.
Nguyên lý hoạt động:

Để điều khiển được hoạt động của robot bay ta phải điều khiển tỉ lệ tốc độ tương
ứng giữa 4 cánh quạt. Trong đó, để điều khiển bay lên thì 4 cánh quạt phải quay cùng
tốc độ, 2 cánh đối diện của Quadrotor quay cùng chiều với nhau và ngược với 2 cánh
còn lại. Điều này rất quan trọng vì nó sẽ không làm cho Quadrotor xoay quanh trục
vuông góc với mặt phẳng thân, như vậy theo nguyên lý bảo toàn mô men động lượng
thì 2 cặp cánh quay ngược nhau sẽ tạo ra cặp mô men động lượng đối nghịch triệt tiêu
lẫn nhau.
Do vậy độ cao của Quadrotor sẽ thay đổi khi tăng
hoặc giảm đồng thời tốc độ các cánh quạt trước sau, trái
phải.
Ban đầu cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau
khi cất cánh nếu quay ở cùng tốc độ. Khi đó:
•Góc nghiêng (Roll) được điều khiển bay khi thay
đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và cánh
bên trái sao cho tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này
được giữ nguyên.
•Góc lật (Pitch) cũng được điều khiển bởi mối quan hệ giữa hai tốc độ của hai
cánh phía trước và phía sau sao cho tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này được giữ
nguyên.
•Góc xoay (Yaw) lại được thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên
phải và bên trái khi tính tới sự liên quan tốc độ cặp cánh phía trước và phía sau.
Với việc điều khiển theo ba mối quan hệ như vậy thì tổng lực đẩy sinh ra bởi các
cặp cánh được giữ không đổi. Và muốn Quadrotor di chuyển theo phương, quỹ đạo
hoặc theo yêu cầu đặt ra ta phải phối hợp các nguyên lý điều khiển chuyển động trên
với nhau.
2.1.2 Các hệquy chiếu trên Quadrotor
2.1.2.1. Hệ quy chiếu quán tính
i
F
Thếcủa Quadrotortrong không gian được coi là xác định hoàn toàn nếu biết được

vị trí và hướng của nó trongmột hệ quy chiếu cho trước. Hệ tọa độ quán tính
i
F
được
17
Hình 2.2.Biểu diễn nguyên
lý hoạt động Quadrotor
Hình 2. 2 Biểu diễn nguyên
lý hoạt động Quadrotor
dùng làm hệ tọa độ gốc. Các vector đơn vị, i
i
hướng về phía Bắc,j
i
hướng về phía Đông
và k
i
hướng vuông góc với mặt đất.
Hình 2. 3 Hệ tọa độ quán tính
2.1.2.2. Hệ tọa độ vật thể
v
F
Đểmô tả vị trí và hướng củaQuadrotor trong không gian, thường phải gắnlên nó
một hệ tọa độ, gọi là hệ tọa độ vật thể được biểu diễn trên hình 2.4.Về bản chất, hệ tọa
độ vật thể được đặt tại trọng tâm của Quadrotor. Các trục của nó song song với các
trục của hệ trục tọa độ quán tính.
Hình 2. 4 Hệ tọa độ vật thể
2.1.2.3. Hệtọa độ vật thể- 1
1
v
F

Hệtọa độ vật thể
1
v
F
giốngvới hệtọa độ vật thể
v
F
, được đặt tại trọng tâm của
Quadrotor. Tuy nhiên,
1
v
F
được quay quanh vector k
v
một góc lệch
ψ
nên khi vật thể
không quay hoặc nghiêng, thìi
v1
sẽ chỉ về phía đầu vật thể, j
v1
sẽ hướng về cánh phải và
k
v1
cùng hướng với k
v
hướng vuông góc mặt đất. Hệtọa độ vật thể 1 được biểu diễn
trên hình 2.5.
18
Ma trận quay để biến đổi từ F

v
đến F
v1
là:p
v1
=
trong đó:
Hình 2. 5 Hệ tọa độ vật thể 1
2.1.2.4. Hệ tọa độ vật thể-
Hệ tọa độ vật thể lại được đặt tại trọng tâm của Quadrotor và đượchình
thành từ việc quay hệ tọa độ vật thể 1 theo chiều thuận quanh trụcj
v1
một góc nghiêng
θ
. Nếu góc xoay bằng 0 thì i
v2
sẽ chỉ về hướng đầu vật thể,j
v2
hướng về cánh phải,
k
v2
chỉ về bụng của vật thể. Hệ tọa độ vật thể 2 được biểu diễn trên hình 2.6.
Hình 2. 6 Hệ tọa độ vật thể 2
Sự chuyển đổi từ F
v1
sang F
v2
được biểu diễn bởi:
p
v2

= ;
Trong đó:
19
2.1.2.5. Hệ tọa độ thân F
b
Hình 2. 7 Hệ tọa độ thân
Hình 2.7. biểu diễn hệ trục tọa độ thân Quadrotor. Hệ trục tọa độ thân được hình
thành bằng cách quay hệ trục tọa độ vật thể 2 theo chiều thuậnquanh trục i
v2
một góc
xoay . Nó được đặt tại trọng tâm của Quadrotor, i
b
chỉ về đầu Quadrotor, j
b
hướng về
cánh phải và k
b
hướng vuông góc với thân.
Từ F
v2
chuyển đổi qua F
b
, ta có ma trận quay
P
b
= ,
Trong đó
Quá trình chuyển từ hệ tọa độ vật thể sang hệđộ thân cho ta ma trận quay
2.1.3 Động học và động lực học quadrotor
2.1.3.1. Các biến trạng thái của Quadrotor.

Các giá trị trạng thái của Quadrotor bao gồm 12 giá trị sau:
20
= vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính theo phương vecto
i
i
=vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính theo vecto
i
j
h = độ cao của Quadrotor trong hệ hệ quy chiếu quán tính
vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên i
b
của F
b
vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên j
b
của F
b
= vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên k
b
của F
b
= góc quay theo trục Roll của Quadrotor trong F
v2
= góc quay theo trục Pitch của Quadrotor trong F
v1
= góc quay theo trục hướng đất Yaw của Quadrotor trong F
v
= vận tốc góc Quadrotor đo trên i
b
của F

b
= vận tốc góc Quadrotor đo trên j
b
của F
b
= vận tốc góc Quadrotor đo trên k
b
của F
b
Trục Roll
( )Trục Pitch ( ) Trục Yaw
21
Hình 2. 8 Mô tả về các trục
Vị trí ( ) của Quadrotor được đưa ra trong hệ tọa độ quán tính, trong đo h
được đo trên trục đối z của hệ tọa độ quán tính, trục z là trục vuông góc mặt đất. Các
vận tốc ( ) và các vận tốc góc ( )sẽ liên quan đến hệ tọa độ thân Quadrotor.
Các góc Euler: roll pitch và yaw phụ thuộc vào hệ tọa độ vật thể 2, hệ tọa độ
vât thể 1 và hệ tọa độ vật thể.
2.1.3.2.Động học Quadrotor
Các giá trị trạng thái là các đại lượng quán tính, trong khi đó các vận tốc
dài là các đại lượng đo trên hệtọa độ thân. Do đó mối quan hệ giữa chúng được
biểu diễn bởi phương trình:
Mối quan hệ giữa các góc , , và các vận tốc góc (p, q, r) là rất phức tạp bởi
chúng được tính toán trên 2 hệ trục tọa độ khác nhau. Các vận tốc góc được gắn trên
hệ tọa độ thân F
b
, trong khi đó góc được gắn trên F
v2
, góc lại trên F
v1

còn góc
lạiđược gắn trên
v
F
.
Chúng ta cần mối quan hệ giữa ( )và ( ). Với ( ) là rất nhỏ
vàchú ý rằng :
= I
Ta có:
22
=
= (1)
Cuối cùng ta có
(2)
2.1.3.3. Động lực học Quadrotor
Gọi v là vector vận tốc của Quadrotor. Theo định luật Newton áp dụng cho
chuyển động trong hệ tọa độ quán tính ta có:
Trong đó m là khối lượng của Quadrotor, f là tổng hợp lực tác dụng lên
Quadrotor. Từ phương trình quán tính cho ta kết quả
(3)
Trong đó là vận tốc góc của Quadrotor trên hệ tọa độ quán tính. Sau khi lực
điều khiển được tính toán trên hệ tọa độ quán tính, vận tốc góc được đo trên các hệ
tọa độ vật thể,phương trình (6) trở thành:
23
(4)
Trong đó:
, và
Đối với chuyển động quay, theo định luât 2 Newton
Trong đó h là mô men động lượng và m là mô men quay.
Sử dụng phương trình quán tính:

(5)
Với
=
Hình 2. 9 Các momen quán tính của Quadrotor được tính toán như một khối cầu đồng
chất có trọng lượng là M và bán kính R
Nhìn trên hình 3.8, Quadrotor đối xứng qua 3 trục, do đó:
24
Nên
Từ đó
Đối với khối cầu đồng chất
Kết quả là
Có m
b
= , viết lại phương trình (2), ta được:
Kết quả cuối cùng thu được, động học và động lực học của Quadrotor cơ bản
được biểu diễn qua các phương trình toán học sau:
25