Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.94 MB, 22 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM VĂN NGHĨA
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
S K C0 0 4 6 9 5
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM VĂN NGHĨA
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƢƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN– 60520202
Hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: PHẠM VĂN NGHĨA
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 10 / 05 / 1990
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Quê quán: Tp. Quảng Ngãi, Quảng Ngãi
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 117, đƣờng Đình Phong Phú, Phƣờng
Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, Tp. HCM
Điện thoại riêng: 0983.996.008
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 07/ 2012
Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống BMS cho một
phần trung tâm điều trị theo yêu cầu và quốc tế - Bệnh viện TW Huế.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT
Tp.HCM.
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. NGUYỄN PHAN THANH.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
6/2014–12/ 2014
Nơi công tác
Công ty cổ phần công nghiệp
APC
Trƣờng ĐH. SPKT
01/2015 - Nay
Trƣờng CĐKT Cao Thắng
10/2012 – 5/2014
Trang i
Công việc đảm nhiệm
Kỹ sƣ lập trình
Trợ giảng
Giảng viên Bộ Môn Điện
Công Nghiệp
LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Trang ii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CẢM TẠ
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã thực hiện xong luận văn thạc
sĩ đƣợc giao. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật Tp.HCM, cán bộ công nhân viên nhà trƣờng đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cao hoc.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Khoa Điện – Điện Tử, các
Quý Thầy Cô đã tận tình hƣớng dẫn cho tôi những kiến thức quý báu nhƣ ngày hôm
nay. Những kiến thức ấy không chỉ cần trong công việc chuyên môn mà còn là bài
học thiết thực giúp tôi hoàn thiện nhân cách của mình.
Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG
HOÀI NGHĨA, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời
gian thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Cảm ơn gia đình và những ngƣời thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời
gian thực hiện nghiên cứu này.
Cuối cùng, tôi xin kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để hoàn
thành tốt công việc trong sự nghiệp giảng dạy của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015
Ngƣời thực hiện luận văn
Phạm Văn Nghĩa
Trang iii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÓM TẮT
Mô hình quadrotor đƣợc thiết kế bởi 4 cánh quạt đƣợc gắn trên 4 động cơ nằm
ở 4 góc của một khung chữ thập đƣợc gọi là thiết bị bay không ngƣời lái UAVs.
Quadrotor là một trong những loại thiết bị bay đƣợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh
vực thăm dò, thƣơng mại và các ứng dụng ngoài trời. Tuy nhiên, để kiểm soát ổn
định hay điều khiển quadrotor là rất khó khăn bởi vì quadrotor là một hệ thống phi
tuyến.
Trong luận văn, mô hình toán học của quadrotor đƣợc trình bày một cách chi
tiết. Các phƣơng trình động học và động lực học của quadrotor đƣợc xây dựng bằng
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).
Trong luận văn này, tác giả trình bày một phƣơng pháp thiết kế luật điều khiển
là phƣơng pháp trƣợt. Chúng ta sẽ quan tâm đến mô hình vật lý phức tạp của
quadrotor. Đối với mô hình quadrotor trong luận văn này, ta tiến hành thiết kế một
bộ điều khiển trƣợt ổn định và chính xác để thực hiện việc điều khiển quadrotor là
tốt nhất. Để ổn định hệ thống trên thì mỗi chế độ điều khiển trƣợt đƣợc thiết kế dựa
trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Ƣu điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt là
không nhạy cảm với sự biến đổi của những thông số trong hệ thống, ở ngoài trạng
thái động và những điểm lỗi.
Trang iv
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ABSTRACT
Four rotor micro aerial robots, so called quadrotor UAVs, are one of the most
preferred type of unmanned aerial vehicles for near-area surveillance and
exploration both in military and commercial in- and outdoor applications. The
reason is the very easy construction and steering principle using four rotors in a
cross configuration. However, stabilizing control and guidance of these vehicles is
a difficult task because of the nonlinear dynamic behavior.
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).
This thesis work presents a design
autonomous
method for attitude control of an
quadrotor based Sliding Mode Control. We are interested in the
dynamic modeling of quadrotor because of it complexity. The dynamic model is
used to design a stableand accurate controller to perform the best tracking and
attitude results. To stabilize the overall systems, each Sliding Mode Controller is
designed based on the Lyapunov stability theory. The advantage of sliding mode
control is its not being sensitive to model errors, parametric uncertainties and other
disturbances. Lastly, we show that the control law has a good robust and good
stability.
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 ............................................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH..................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................... xvi
CHƢƠNG 1................................................................................................................1
TỔNG QUAN ............................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................1
1.2. Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật ..........2
1.2.1. Lịch sử phát triển quadrotor ...............................................................2
1.2.2. Công trình liên quan nổi bật ................................................................4
1.2.2.1.
Mô hình Mesicopter .......................................................................5
1.2.2.2.
X4-flyer (ANU) ...............................................................................5
1.2.2.3.
MD4-200 (microDrones GmbH) ...................................................6
1.2.3. Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor ............................................6
1.3. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................7
1.4. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu ........................................................................7
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................9
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................9
1.6.1. Ý nghĩa khoa học...................................................................................9
1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................9
1.7. Tóm lƣợc nội dung luận văn .....................................................................10
CHƢƠNG 2..............................................................................................................11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................................11
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quadrotor......................................11
2.1.1. Cấu tạo quadrotor ..............................................................................11
2.1.2. Nguyên lý hoạt động quadrotor.........................................................11
Trang vi
LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.1.2.1.
Trạng thái lơ lửng (Hover) ..........................................................13
2.1.2.2.
Trạng thái bay lên xuống (Throttle)...........................................13
2.1.2.3.
Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) ........................................14
2.1.2.4.
Trạng thái lật trƣớc / sau ( Pitch ) ..............................................15
2.1.2.5.
Trạng thái xoay qua trái / phải (Yaw) .......................................15
2.2. Mô hình hóa quadrotor .............................................................................16
2.2.1. Tổng quan về hệ quy chiếu trên thân quadrotor .............................16
2.2.2. Động học quadrotor ............................................................................18
2.2.2.1.
Ma trận xoay R .............................................................................19
2.2.2.2.
Ma trận tịnh tiến𝐓𝚯 .....................................................................20
2.2.2.3.
Ma trận tổng quát 𝐉𝚯 ...................................................................21
2.2.2.4.
tọa độ
Mối liên hệ giữa các vector động học quadrotor trong các hệ
……………………………………………………………………21
2.2.3. Động lực học quadrotor .....................................................................22
CHƢƠNG 3..............................................................................................................30
XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG .........................................30
3.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển trƣợt .................................................................30
3.1.1. Đặc điểm điều khiển trƣợt .................................................................30
3.1.2. Nguyên lý điều khiển trƣợt ................................................................32
3.1.2.1.
Điều khiển trƣợt bám ..................................................................32
3.1.2.2.
Ổn định hóa (regulation). ............................................................36
3.2. Xây dựng luật điều khiển trƣợt cho mô hình quadrotor .......................38
3.2.1. Luật điều khiển góc.............................................................................40
3.2.1.1.
Luật điều khiển góc nghiêng roll ................................................41
3.2.1.2.
Luật điều khiển góc lật pitch .......................................................41
3.2.1.3.
Luật điều khiển góc xoay yaw .....................................................42
3.2.2. Luật điều khiển độ cao .......................................................................42
3.3. Mô phỏng quadrotor bằng phần mền Matlab ........................................43
3.3.1. Xây dựng mô hình quadrotor trong Simulink .................................43
3.3.1.1.
Thông số mô hình quadrotor ......................................................43
3.3.1.2.
Sơ đồ khối quadrotor ...................................................................46
3.3.1.3.
Khối quadrotor Dynamics ...........................................................47
3.3.1.4.
Khối System Input Calculation ...................................................47
3.3.1.5.
Khối Motor Speed Caculation. ...................................................48
Trang vii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.3.1.6.
Luật điều khiển U1 .......................................................................48
3.3.1.7.
Luật điều khiển U2 , U3, U4 ...........................................................49
3.3.2. Kết quả mô phỏng ...............................................................................49
3.3.2.1.
Thông số mong muốn trƣờng hợp tổng quát.............................49
3.3.2.2.
)
Thông số mong muốn bảng 3.3 ( quadrotor ở trạng thái lơ lửng
……………………………………………………………………56
3.3.2.3. Thông số mong muốn bảng 3.4 ( quadrotor ở trạng thái bay lên
theo hàm bậc nhất) .......................................................................................63
3.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng ...............................................................71
CHƢƠNG 4..............................................................................................................72
THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR ...............................................................72
4.1. Sơ đồ khối tổng thể quadrotor .................................................................72
4.2. Thành phần trong các khối .......................................................................73
4.2.1. Khung quadrotor ................................................................................73
4.2.2. Động cơ điều khiển quadrotor (Brushless motor) và bộ ESC ........76
4.2.3. Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 .......................................................79
4.2.4. Vi điều khiển STM32F4 DISCOVERY ............................................82
4.2.5. Pin LIPO ..............................................................................................83
4.2.6. Tay cầm FS – T6 và bộ thu FS – R6B ...............................................84
4.3. Sơ đồ kết nối phần cứng. ...........................................................................86
4.4. Thử nghiệm mô hình quadrotor ..............................................................88
4.4.1. Giải thuật điều khiển quadrotor .......................................................88
4.4.1.1.
Lƣu đồ giải thuật điều khiển quadrotor ........................................88
4.4.1.2.
Giải thuật điều khiển trên ARM ....................................................90
4.4.2. Giao diện giám sát quadrotor ............................................................90
4.4.3. Kết quả thử nghiệm mô hình quadrotor ..........................................94
4.4.4. Đánh giá mô hình quadrotor .............................................................96
4.4.4.1.
Độ cao và tốc độ của quadrotor ..................................................97
4.4.4.2.
Góc nghiêng ..................................................................................98
4.4.4.3.
cầm
Tốc độ đáp ứng và khả năng giao tiếp giữa quadrotor với tay
……………………………………………………………………98
CHƢƠNG 5..............................................................................................................99
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................99
5.1. Kết quả đạt đƣợc .......................................................................................99
Trang viii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
5.2. Những hạn chế chƣa đạt đƣợc và hƣớng khắc phục ............................100
5.3. Hƣớng phát triển đề tài ...........................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................102
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................103
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR....................................................103
1.
Khai báo, khởi tạo biến và thiết lập thông số cho vi điều khiển hoạt động
………………………………………..……………………………………103
2.
Chƣơng trình đọc tín hiệu từ bộ nhận sóng RF ......................................104
3.
Chƣơng trình đọc tín hiệu từ cảm biến và xử lý tín hiệu từ cảm biến ..104
4.
Thuật điều khiển trƣợt điều khiển quadrotor .........................................105
Trang ix
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Đơn vị
Mô tả
X
m
Vị trí dài theo trục xE
Y
m
Vị trí dài theo trục yE
Z
m
Vị trí dài theo trục zE
𝜙
rad
Góc roll (xoay quanh trục X)
𝜃
rad
Góc pitch (xoay quanh trục Y)
𝜓
rad
Góc yaw (xoay quanh trục Z)
𝑢
m/s
Vận tốc dài theo trục xB
𝑣
m/s
Vận tốc dài theo trục yB
𝑤
m/s
Vận tốc dài theo trục zB
𝑝
rad/s
Vận tốc góc theo trục xB
𝑞
rad/s
Vận tốc góc theo trục yB
𝑟
rad/s
Vận tốc góc theo trục zB
𝜞𝐸
m
Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E
𝛩𝐸
rad
Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E
𝙑𝐸
m/s
Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E
𝙑𝐵
m/s
Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B
𝝎𝐵
rad/s
Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B
𝝃
-
Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E
𝝑
-
Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B
𝜻
-
Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H
𝜦
-
Vector lực tổng quát
𝑭𝐸
N
Vector lực theo hệ quy chiếu E
𝑭𝐵
N
Vector lực theo hệ quy chiếu B
𝑭𝐸𝐺
N
Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E
𝑭𝐵𝐺
N
Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B
𝑮𝐵 (𝝃)
-
Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B
𝑮𝐻
-
Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H
Trang x
LUẬN VĂN THẠC SĨ
𝑈𝐵
-
Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B
𝑈1
N
Lực nâng theo hệ quy chiếu B
𝑈2
Nm
Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B
𝑈3
Nm
Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B
𝑈4
Nm
Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B
𝝉𝐵
Nm
Moment xoắn theo hệ quy chiếu B
𝐑Θ
-
Ma trận xoay
𝐓Θ
-
Ma trận tịnh tiến
𝐉Θ
-
Ma trận tổng quát
𝑬𝐵
-
Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B
𝑬𝐻 (𝝃)
-
Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H
𝑴𝐵
-
Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B
𝑴𝐻
-
Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H
𝑶𝐵 (𝝑)
-
Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B
𝑶𝐻 (𝜻)
-
Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H
𝑪𝐵 (𝝑)
-
Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B
𝑪𝐻 (𝜻)
-
Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H
𝛺𝑟
rad/s
Vector tốc độ cánh quạt
𝛺1
rad/s
Tốc độ cánh quạt trƣớc
𝛺2
rad/s
Tốc độ cánh quạt phải
𝛺3
rad/s
Tốc độ cánh quạt sau
𝛺4
rad/s
Tốc độ cánh quạt trái
m
kg
Khối lƣợng của quadrotor
IXX
kg.m2
Mô men quán tính theo trục X
IYY
kg.m2
Mô men quán tính theo trục Y
IZZ
kg.m2
Mô men quán tính theo trục Z
l
m
Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động cơ
Nm/N
Hệ số tỷ lệ giữa mô men động cơ và lực động cơ
Trang xi
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Breguet – Richet Gyroplane No 1 ............................................ Trang 2
Hình 1.2. Quadrotor của Etienne Oemichen. ........................................... Trang 3
Hình 1.3. Bạch tuột bay ............................................................................ Trang 3
Hình 1.4. Draganflyer X-Pro.................................................................... Trang 4
Hình 1.5. Mô hình Mesicopter .................................................................. Trang 5
Hình 1.6. X4-flyer (ANU) ......................................................................... Trang 5
Hình 1.7. MD4-200 (microDrones GmbH) .............................................. Trang 6
Hình 2.1. Mô hình quadrotor ................................................................... Trang 11
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của quadrotor ......................................... Trang 12
Hình 2.3. Hệ trục tọa độ đặt trên quadrotor ............................................ Trang 12
Hình 2.4. Trạng thái lơ lửng (Hover) ....................................................... Trang13
Hình 2.5. Trạng thái bay lên / xuống ( Throttle ) ..................................... Trang14
Hình 2.6. Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) ...................................... Trang14
Hình 2.7. Trạng thái lật trước / sau ( Pitch ) ........................................... Trang15
Hình 2.8. Trạng thái xoay trái / phải ( Yaw ) ........................................... Trang16
Hình 2.9: Vị trí dài và vị trí góc của quadrotor ....................................... Trang17
Hình 2.10. Hệ quy chiếu quán tính và vật thể (Kivrak, A, 2006) ............. Trang18
Hình 2.11. Lực và moment tác động lên quadrotor ................................. Trang22
Hình 3.1. Trạng thái quỹ đạo trong điều khiển trượt ............................... Trang31
Hình 3.2. Quỹ đạo pha lý tưởng của hệ bậc 2
chuyển động trên mặt phẳng trượt về gốc tọa độ ..................................... Trang31
Hình 3.3. Quỹ đạo pha thực tế dao động ................................................. Trang 35
Hình 3.4. Sơ đồ khối luật điều khiển góc quadrotor ................................ Trang 40
Hình 3.5. Sơ đồ khối luật điều khiển độ cao quadrotor ........................... Trang 42
Hình 3.6. Sơ đồ khối quadrotor ................................................................ Trang 46
Hình 3.7.Khối quadrotor Dynamics ......................................................... Trang 47
Hình 3.8.Khối System Input Calculation .................................................. Trang 47
Hình 3.9.Khối System Input Calculation .................................................. Trang 48
Hình 3.10.Luật điều khiển U1 .................................................................. Trang 48
Trang xii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3.11.Luật điều khiển U2, U3, U4 .................................................... Trang 49
Trường hợp tổng quát(Từ hình 3.12 đến 3.23)
Hình 3.12.Mặt trượt góc nghiêng Roll ..................................................... Trang 50
Hình 3.13.Đáp ứng góc nghiêng Roll ....................................................... Trang 50
Hình 3.14.Mặt trượt góc Pitch ................................................................. Trang 51
Hình 3.15.Đáp ứng góc lật Pitch.............................................................. Trang 51
Hình 3.16.Mặt trượt góc xoay Yaw .......................................................... Trang 52
Hình 3.17.Đáp ứng góc xoay Yaw ............................................................ Trang 52
Hình 3.18.Mặt trượt độ cao z ................................................................... Trang 53
Hình 3.19.Đáp ứng góc độ cao z .............................................................. Trang 53
Hình 3.20.Tọa độ quadrotor trong không gian ........................................ Trang 54
Hình 3.21.Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor ............................... Trang 54
Hình 3.22.Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor. ............................... Trang 55
Hình 3.23.Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor. ............................... Trang 56
Trạng thái lơ lửng (Từ hình 3.24 đến 3.35)
Hình 3.24. Mặt trượt góc nghiêng Roll .................................................... Trang 57
Hình 3.25. Đáp ứng góc Roll.................................................................... Trang 57
Hình 3.26. Mặt trượt góc lật Pitch ........................................................... Trang 58
Hình 3.27. Đáp ứng góc lật Pitch............................................................. Trang 58
Hình 3.28. Mặt trượt góc xoay Yaw ......................................................... Trang 59
Hình 3.29. Đáp ứng góc xoay Yaw ........................................................... Trang 59
Hình 3.30. Mặt trượt độ cao z .................................................................. Trang 60
Hình 3.31. Đáp ứng góc độ cao z ............................................................. Trang 60
Hình 3.32. Tọa độ quadrotor trong không gian ....................................... Trang 61
Hình 3.33. Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor .............................. Trang 61
Hình 3.34. Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor ............................... Trang 62
Hình 3.35. Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor ............................... Trang 63
Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất(Từ hình 3.36 đến 3.47)
Hình 3.36. Mặt trượt góc nghiêng Roll .................................................... Trang 64
Hình 3.37. Đáp ứng góc Roll.................................................................... Trang 64
Hình 3.38. Mặt trượt góc lật Pitch ........................................................... Trang 65
Trang xiii
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3.39. Đáp ứng góc lật Pitch............................................................. Trang 65
Hình 3.40. Mặt trượt góc xoay Yaw ......................................................... Trang 66
Hình 3.41. Đáp ứng góc xoay Yaw ........................................................... Trang 66
Hình 3.42. Mặt trượt độ cao z .................................................................. Trang 67
Hình 3.43. Đáp ứng góc độ cao z ............................................................. Trang 67
Hình 3.44. Tọa độ quadrotor trong không gian ....................................... Trang 68
Hình 3.45. Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor .............................. Trang 69
Hình 3.46. Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor ............................... Trang 70
Hình 3.47. Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor ............................... Trang 70
Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể quadrotor ................................................... Trang 73
Hình 4.2. Khung quadrotor Tarot Iron man 650 TI65B01 ...................... Trang 75
Hình 4.3. Cánh quạt
RC Timer 14*5.5’’ Carbon Prop Set (2XCW,2XCCW) ............................ Trang 75
Hình 4.4. Motor Sunny Sky X3508S_29 ................................................... Trang 76
Hình 4.5. Mô hình động cơ không chổi than ............................................ Trang 78
Hình 4.6. ESC Platinum 30AOPTO-PRO ................................................ Trang 78
Hình 4.7. Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 ............................................. Trang 80
Hình 4.8. Sơ đồ chân MPU 9150 ............................................................. Trang 80
Hình 4.9. Bo mạch STM32F4 Discovery. ................................................. Trang 82
Hình 4.10. Pin LIPO TURNIGY ............................................................... Trang 83
Hình 4.11. Tay cầm Flysky FS – T6 ......................................................... Trang 84
Hình 4.12. Bộ thu Flysky FS – R6B .......................................................... Trang 85
Hình 4.13. Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor ..................... Trang 86
Hình 4.14. Sơ đồ kết nối phần cứng của quadrotor. ................................ Trang 87
Hình 4.15. Lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình quadrotor. .................. Trang 89
Hình 4.16. Giao diện phần mềm STMStudio. ........................................... Trang 91
Hình 4.17. Giao diện giám sát góc
quadrotor khi quadrotor cân bằng. ........................................................... Trang 91
Hình 4.18. Các góc quadrotor trong trường hợp nghiêng góc Roll ........ Trang 92
Hình 4.19. Các góc quadrotor trong trường hợp lật góc Pitch. .............. Trang 92
Hình 4.20. Các góc quadrotor trong trường hợp xoay góc Yaw ............. Trang 93
Trang xiv
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 4.21. Các góc quadrotor trong trường hợp tổng quát .................... Trang 93
Hình 4.22. Quadrotor trong trạng thái chuẩn bị bay ............................... Trang 94
Hình 4.23. Quadrotor trong trạng thái vừa cất cánh ............................... Trang 95
Hình 4.24. Quadrotor trong trạng thái giữ lơ lửng trong không trung ... Trang 95
Hình 4.25. Quadrotor trong trạng thái bay trong không trung ............... Trang 96
Trang xv
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số vật lý của mô hình quadrotor ................................... Trang 43
Bảng 3.2. Thông số mong muốn của mô hình trường hợp tổng quát ....... Trang 49
Bảng 3.3. Thông số mong muốn của mô hình_2 (Trạng thái lơ lửng) ..... Trang 56
Bảng 3.4. Thông số mong muốn của mô hình_3
(Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất). ................................................... Trang 63
Trang xvi
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.
Đặt vấn đề
Lịch sử đã trải qua nhiều giai đoạn cách mạng khoa học kỹ thuật. Đi kèm với
sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, thiết bị bay không ngƣời lái UAV(Unmanned Arial
Vehicle) đã đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ
trụ bởi các tính năng ƣu việt nhƣ: có khả năng hoạt động tự động hoặc điều khiển từ
xa, hoạt động những nơi mà con ngƣời khó có thể tiếp cận. UAV còn đƣợc biết đến
nhiều hơn bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự.
Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ khác nhau đƣợc thiết kế và đƣa vào thực
tế. Ngoài ra các ứng dụng khác của UAV cũng đƣợc quan tâm nhƣ quan sát núi lửa,
kiểm tra môi trƣờng, gieo trồng, bảo dƣỡng thiết bị, phun thuốc trừ sâu nông
nghiệp…
Quadrotor chính là một thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa
hoạt động rất linh hoạt. Quadrotor là một thiết bị bay độc đáo, đƣợc thiết kế với 4
cánh quạt tạo nên một lực nâng lớn cho quadrotor. Chính vì thế, mô hình quadrotor
sẽ là đề tài cần đƣợc quan tâm và đi vào nghiên cứu. Với một mô hình quadrotor
nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt, chúng ta có thể sử dụng để phục vụ
cho lợi ích của con ngƣời.
Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách
thức lớn trong phƣơng pháp điều khiển. Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển tốt
trong nhiều điều kiện thì cần bỏ ra rất nhiều thời gian thiết kế và thử nghiệm, kèm
theo sử dụng những cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp. Qua
thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm
quadrotor thì đòi hỏi ngƣời thực hiện phải nắm đƣợc lý thuyết vững chắc kết hợp
với nhiều kinh nghiệm thực tế.
Từ những vấn đề cấp thiết trên, học viên muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình
toán của quadrotor và từ đó tiến hành thiết kế và thi công mô hình bay thực tế. Học
viên đã chọn đề tài: “Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều
khiển trượt” là đề tài nghiên cứu.
Trang 1
LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.
Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật
1.2.1. Lịch sử phát triển quadrotor
Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do hai anh em nhà khoa
học ngƣời Pháp Charles Richet và Charles Breguet chế tạo. Nó mang tên là
“Breguet – Richet Gyroplance No 1”hình 1.1. Yêu cầu của chiếc quadrotor này là
có thể rời khỏi mặt đất với một phi công. Quadrotor đƣợc điều khiển bởi một động
cơ 8 xi lanh đƣợc sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ
thống dây đai và pu-li đƣợc gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho cánh quạt. Bộ
khung của chiếc quadrotor này đƣợc làm từ các ống thép. Tổng trọng lƣợng của nó
vào khoảng 500kg. Lần thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai – Pháp vào năm
1907. Nó có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5m.
Hình 1.1. Breguet – Richet Gyroplane No 1
Đến năm 1920, Etienne Oemichen đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh
quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy hình 1.2. Ban đầu, nó đƣợc gắn thêm
một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành
công khi cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu. Sau đó, nó
không bao giờ đƣợc sử dụng nữa.
Trang 2
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 1.2. Quadrotor của Etienne Oemichen.
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế
chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã đƣợc điều khiển
bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra, nó
còn đƣợc gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc quadrotor này
đƣợc đặc tên là “Bạch tuột bay” nhƣ hình 1.3. Nhƣng dự án này bị hủy bỏ vì khả
năng bay thấp, giá thành cao.
Hình 1.3. Bạch tuột bay
Từ đó, quadrotor không còn đƣợc chú ý nhƣ trƣớc. Cho đến những năm 1980,
quadrotor lại đƣợc quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và
giá thành thấp.
Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng sáng chế Draganfly là một trong những
chiếc quadrotor thƣơng mại điều khiển sóng Radio nhƣ hình 1.4. Nó đƣợc trang bị
một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực
Trang 3
S
K
L
0
0
2
1
5
4
