Nghiên cứu ứng dụng mô hình quadrotor trong giám sát và cứu hộ

..

H

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP.HCM

C

PHẠM QUỐC PHƢƠNG

U
TE

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH
QUADROTOR TRONG GIÁM SÁT VÀ CỨU HỘ
LUẬN VĂN THẠC SĨ

H

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ : 60.52.50

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2012


H

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP.HCM

C

PHẠM QUỐC PHƢƠNG

TE

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH
QUADROTOR TRONG GIÁM SÁT VÀ CỨU HỘ

U

LUẬN VĂN THẠC SĨ

H

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ : 60.52.50

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VÕ HOÀNG DUY

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS.VÕ HOÀNG DUY

Cán bộ chấm nhận xét 1:

H

Cán bộ chấm nhận xét 2:

tháng

năm 2012.

TE

ngày

C

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS.

H

3. TS.

U

2. PGS.TS.

Chủ tịch Hội đồng
Phản biện 1
Phản biện 2

4. TS.

Ủy viên

5. TS.

Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

Khoa quản lý chuyên ngành


TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Quốc Phƣơng

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1979

Nơi sinh: Khánh Hòa.

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

MSHV:1081031014.

H

I. TÊN ĐỀ TÀI.
SÁT VÀ CỨU HỘ” .

C

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH QUADROTOR TRONG GIÁM

TE

II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG.

1. Nhiệm vụ của đề tài:

 Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển Quadrotor.

U

 Xác định mơ hình tốn học của Quadrotor.
 Xây dựng mơ hình và thuật tốn điều khiển Quadrotor .

H

 Mơ phỏng mơ hình Quadrotor sử dụng Matlab Simulink.

 Thi cơng mơ hình Quadrotor để kiểm nghiệm thực tế.
 Nhận xét kết quả đạt đƣợc và so sánh với các kết quả đã đƣợc trong
và ngoài nƣớc.

2. Nội dung của đề tài:
 Phần 1: Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển Quadrotor, từ đó
đƣa ra các vấn đề cần giải quyết để phục vụ cho việc xây dựng mơ
hình Quadrotor.
 Phần 2: Xác định mơ hình tốn học của Quadrotor.
 Phần 3: Xây dựng mơ hình và thuật tốn điều khiển, mơ phỏng đáp
ứng và ứng suất bằng phần mềm Matlab Simulink & Inventor.
 Phần 4: Thi công mơ hình Quadrotor.


III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 15 tháng 09 năm 2011.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 15 tháng 06 năm 2012.
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Võ Hoàng Duy.

Khoa quản lý chuyên ngành

H

U

TE

C

H

Cán bộ hƣớng dẫn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “Nghiên cứu ứng dụng mơ
hình Quadrotor trong giám sát và cứu hộ” là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi, dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Hồng Duy.
Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn
trích dẫn và chưa được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012

H

U

TE

C

H

Ngƣời thực hiện luận văn

Phạm Quốc Phƣơng

LỜI CẢM ƠN

Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh,
cùng Q Thầy, Cơ đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất
cho lớp chúng tôi trong suốt quá trình học cao học.
Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS. Võ Hồng
Duy, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực
hiện nghiên cứu đề tài này.

H

Cám ơn lãnh đạo Khoa Cơ – Điện – Điện tử và quý Thầy Cô trong khoa đã

C

giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng

TE

trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hơm nay.
Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt

U

thời gian thực hiện nghiên cứu này.

H

Xin trân trọng gửi lịng tri ân và cảm ơn q Thầy Cơ.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012
Ngƣời thực hiện luận văn

Phạm Quốc Phƣơng


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................... v
TĨM TẮT ............................................................................................................. vi
ABSTRACT ......................................................................................................... vii
Chƣơng 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài. ........................................................................................... 1
1.2 Mục đích nghiên cứu....................................................................................... 1

H

1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................. 2

C

1.4 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. ........................................................................ 3

TE

1.6 Bố cục của luận văn ........................................................................................ 3
Chƣơng 2: TỔNG QUAN ........................................................................................ 4
2.1 Lịch sử phát triển Quadrotor. .......................................................................... 4
2.2 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 6

U

2.3 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn. ................................................................ 7

H

Chƣơng 3: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................ 9
3.1 Giới thiệu Quadrotor ....................................................................................... 9
3.2 Phƣơng trình chuyển động. ............................................................................12
3.3 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển Quadrotor. .................................................18
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG .........................................................................................28
4.1 Xây dựng mơ hình Quadrotor trong Matlab Simulink. ...................................28
4.2 Mơ hình matlab và kết quả mơ phỏng. ...........................................................31
Chƣơng 5: THI CƠNG ...........................................................................................36
5.1 Xây dựng mơ hình Quadrotor trong phần mềm Inventor. ...............................36
5.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển giữa Quadrotor và PC – Transmitter. .................40
5.3 Mơ hình kiểm tra lực đẩy của motor...............................................................40


ii

5.4 Xây dựng giao diện Labview dùng để giám sát. .............................................42
Chƣơng 6: TỔNG KẾT ..........................................................................................43
6.1 Kết quả. .........................................................................................................43

6.2 Hiệu quả kinh tế, xã hội, giáo dục, an ninh, quốc phòng, … ...........................44

H

U

TE

C

H

6.3 Hƣớng phát triển ............................................................................................44


iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
x: Vị trí dài theo trục xE.
y: Vị trí dài theo trục yE.
z: Vị trí dài theo trục zE.
: Góc roll ( xoay quanh trục X).
: Góc yaw ( xoay quanh trục Z).

Ψ: Góc pitch ( xoay quanh trục Y).
u: Vận tốc dài theo trục xB.
v: Vận tốc dài theo trục yB.

H

w: Vận tốc dài theo trục zB.
v: Gia tốc dài theo trục yB.

TE

w: Gia tốc dài theo trục zB.

C

u: Gia tốc dài theo trục xB.

q: Vận tốc góc theo trục xB.
p: Vận tốc góc theo trục yB.

U

r: Vận tốc góc theo trục zB.

q: Gia tốc góc theo trục xB.

H

p: Gia tốc góc theo trục yB.
r: Gia tốc góc theo trục zB.

𝑍: là gia tốc theo phƣơng Zb.
Ω𝐻 : là vận tốc góc của cánh quạt.
Δ𝐴 : là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 để bay lên hay hạ xuống.
Φ: là gia tốc theo phƣơng Xb.
Ω𝐻 : là vận tốc góc của cánh quạt.

Δ𝐴 ,Δ𝐵 (Δ𝐴 ≈ ∆𝐵 ): là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 .
ϑ: là gia tốc theo phƣơng Yb.
Ω𝐻 : là vận tốc góc của cánh quạt.
Δ𝐴 ,Δ𝐵 (Δ𝐴 ≈ ∆𝐵 ): là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 .


iv

R Θ: Ma trận quay.
TΘ: ma trận chuyển vị.
JΘ: Ma trận tổng quát.
U1 : Tổng lực của các motor.
U2 :Moment góc Roll.
U3 :Moment góc Pitch.
U4 :Moment góc Yaw.
W: Trọng lực.
I: Moment quán tính

2: Tốc độ cánh quạt phải.
3: Tốc độ cánh quạt sau.

H

U

TE

4: Tốc độ cánh quạt trái.

C

1: Tốc độ cánh quạt trƣớc.

H

: Vector tốc độ cánh quạt.


v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

H

U

TE

C

H

Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1 ................................................................ 4
Hình 2.2 Quadrotor của Etienne Oemichen ............................................................... 5
Hình 2.3 Bạch tuộc bay ............................................................................................ 5
Hình 2.4 Draganflyer X-Pro .................................................................................... 6
Hình 3.1 Quadrotor.................................................................................................. 9
Hình 3.2 Ngun lí hoạt động của Quadrotor. .......................................................... 9
Hình 3.3 Trạng thái lơ lửng. .................................................................................. 10
Hình 3.4 Trạng thái bay lên/xuống. ....................................................................... 10

Hình 3.5Trạng thái nghiêng trái/phải ..................................................................... 11
Hình 3.6 Trạng thái lật trƣớc/sau ........................................................................... 11
Hình 3.7Trạng thái xoay qua trái/phải.................................................................... 12
Hình 3.8 Hệ qui chiếu quán tính và vật thể (Kivrak, A, 𝑂.2006 ) ........................... 13
Hình 3.9 Hình dạng của cánh quạt ......................................................................... 18
Hình 3.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ............................................................... 20
Hình 3.11 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) ................. 21
Hình 3.12 Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Ki (Kp và Kd khơng đổi) ........... 22
Hình 3.13 Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki khơng đổi).......... 23
Hình 3.14 Sơ đồ khối dùng bộ lọc Kalman để lọc tín hiệu nhiễu. ........................... 25
Hình 3.15 Q trình tính tốn dùng bộ lọc Kalman ................................................ 25
Hình 3.16 Mô phỏng đáp ứng dùng bộ lọc Kalman ................................................ 27
Hình 4.1 Khởi tạo 12 biến trạng thái ...................................................................... 29
Hình 4.2 Mơ hình vận tốc góc của động cơ ............................................................ 29
Hình 4.3 Mơ hình đáp ứng động của động cơ ........................................................ 30
Hình 4.4 Mơ hình đáp ứng động của hệ thống ....................................................... 30
Hình 4.5 Mơ hình điều khiển độ cao và góc xoay .................................................. 30
Hình 4.6 Mơ hình mơ phỏng Quadrotor trong Matlab Simulink. ............................ 31
Hình 4.7 Trƣờng hợp 1
Hình 4.8 Trƣờng hợp 2 ........................................... 31
Hình 4.9 Trƣờng hợp 3
Hình 4.10 Trƣờng hợp 4 ......................................... 32
Hình 4.11 Trƣờng hợp 5
Hình 4.12 Trƣờng hợp 6 ......................................... 32
Hình 5.1 Mơ hình Quadrotor 2D. ........................................................................... 36
Hình 5.2 Mơ hình Quadrotor 3D. ........................................................................... 37
Hình 5.3 Mơ hình Quadrotor (trong phần mềm Inventor). ..................................... 38
Hình 5.4 Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị. ............................................... 38
Hình 5.5 Mơ hình Quadrotor. ................................................................................ 39
Hình 5.6 Sơ đồ khối mạch điều khiển .................................................................... 40

Hình 5.7 Mơ hình kiểm tra lực đẩy motor .............................................................. 40
Hình 5.8 Bảng tham chiếu tốc độ động cơ ............................................................. 41
Hình 5.9 Đồ thị đáp ứng lực đẩy động cơ .............................................................. 42
Hình 5.10 Giao diện giám sát Quadrotor................................................................ 42


vi

TÓM TẮT
Trong những năm gần đây máy bay trực thăng Quadrotorngày càng trở nên
quan trọng, là nền tảng cho cả nghiên cứu và thƣơng mại trong các ứng dụng
phƣơng tiện bay không ngƣời lái.Phƣơng tiện bay không ngƣời lái (UAV) là máy
bay có khả năng bay mà khơng cần ngƣời vận hành bên trong. Phƣơng tiện này có
thể đƣợc điều khiển từ xa bởi ngƣời điều hành trên mặt đất, hoặc bay tự động thông
qua một đƣờng bay đƣợc lập trình trƣớc. UAVs đã đƣợc quân đội sử dụng cho các
hoạt động tìm kiếm và cứu hộ.
Luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình Quadrotor trong giám sát và cứu

H

hộ” Nghiên cứu này đƣợc thực hiện mô phỏng trong môi trƣờng MATLAB /
Simulink và kết quả cho thấy rằng thuật toán điều khiển PID cho phép Quadrotor

C

bay ổn định mà khơng tạo ra dao động.

Mơ hình Quadrotor đƣợc xây dựng thủ cơng phải có cấu trúc cứng và nhẹ.

TE

Quadrotor đƣợc thiết kế trong một khối khép kín, hệ thống kiểm sốt tỷ lệ đo động
lực trong khi bay thơng qua một cảm biến con quay hồi chuyển 3 trục và một cảm
biến góc nghiên hai trục. Một vi điều khiển nhận tín hiệu các cảm biến và thực hiện

U

kiểm sốt tỷ lệ trên bốn động cơ bằng cách thay đổi tín hiệu PWM gửi cho mỗi
động cơ. Các kết quả điều khiển đƣợc gửi lại đến vi điều khiển và sau đó vi điều

H

khiển cung cấp cho các động cơ khơng chổi than tín hiệu PWM để thiết lập tốc độ
mà tại đó động cơ phải quay.Tốc độ chuyển thành một lực giữ cho Quadrotor ổn
định.


vii

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

H

environment and results show that the PID control algorithm allows for the
Quadrotor to make steady corrections that do not break into an oscillation.

C

Modelling of a Quadrotor for building a craft structure that was both stiff and
lightweight. I incorporated in my quadrotor a closed loop, proportional control

TE

system which measured in-flight dynamics via a three axis gyro and two dual axis
tilt-sensors. A microcontroller took these sensor inputs and performed proportional
control on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors. The

U

controlled results and sent to the microcontroller which then provides the brushless
motor drivers the pulse width modulated signal that specifies the speed at which the

H

motors have to spin. The speed translates into a force that keeps the Quadrotor
stable.


1

Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài.

Khoa học và cơng nghệ có vai trị rất quan trọng trong sự nghiệp cơng nghiệp
hóa và hiện đại hóa đất nƣớc, là thƣớc đo và động lực phát triển của mỗi quốc gia.
Ngày nay, các nhà khoa học vẫn luôn không ngừng nghiên cứu và phát triển các
ứng dụng nhằm phục vụ cho nhu cầu ngày càng nâng cao của con ngƣời. Khoa học
và công nghệ giúp chúng ta ngày càng vƣơn cao hơn, xa hơn, sâu hơn…
Trong những năm gần đây, các viện nghiên cứu, trƣờng đại học, trung tâm

H

nghiên cứu và phát triển công nghệ trên thế giới đã đi sâu vào nghiên cứu và phát
triển ứng dụng một thiết bị bay khơng ngƣời lái (UAV) có khả năng đáp ứng một

C

cách linh hoạt các yêu cầu của con ngƣời.

Trong khi đó ở Việt Nam hiện nay vẫn chƣa có một cơng trình nghiên cứu hồn

TE

chỉnh nào về UAV. Các cơng trình nghiên cứu vẫn chỉ ở mức độ nghiên cứu trong
các phịng thí nghiệm. Một số ngƣời đam mê bay chỉ thực hiện công việc lắp ghép
các mô hình có sẵn chứ chƣa đi vào nghiên cứu thực tế và áp dụng vào cuộc sống.
khăn.

U

Ngoài ra, các tƣ liệu và điều kiện chế tạo UAV ở Việt Nam cũng cịn nhiều khó

H

Từ những vấn đề nêu trên, ngƣời thực hiện đã chọn đề tài:

“ Nghiên cứu ứng dụng mơ hình Quadrotor trong giám sát và cứu hộ.”
1.2 Mục đích nghiên cứu.
Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình Quadrotor trong giám sát và cứu
hộ” đƣợc thực hiện nhằm mục đích khảo sát mơ hình vật lý, kết hợp với việc xây
dựng mơ hình và giải thuật điều khiển để từ đó đƣa ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho
việc tính tốn, thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển Quadrotor.


2

1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
Ứng dụng phƣơng pháp luận cơ điện tử trong tính tốn thiết kế và chế tạo robot.
Ở phƣơng pháp này việc thiết kế có xét đến tính liên ngành và tích hợp hệ thống, cụ
thể:
 Nghiên cứu các tài liệu và thiết kế có sẵn trong và ngồi nƣớc.
 Tính tốn thiết kế mơ hình hóa và mô phỏng để đánh giá chất lƣợng hệ thống
và loại trừ các lỗi khi thiết kế.
 Thiết kế mô hình tổng hợp dựa trên mơ hình ảo, bao gồm: mơ hình cơ khí,
mơ hình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến.

H

 Thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh.
1.4 Phạm vi nghiên cứu

C

Đề tài về Quadrotor là một đề tài khó, địi 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

TE

tử, điều khiển, ghép nối máy tính, truyền thơng khơng dây, mơ hình hóa, mơ phỏng,
lập trình điều khiển, lập trình giao diện,… trong khi những đề tài trong nƣớc nghiên
cứu về Quadrotor là khơng nhiều và cũng chƣa có kết quả thành cơng mỹ mãn. Do

U

đó, ngƣời thực hiện chỉ trọng tâm đi sâu vào nghiên cứu thiết bị bay không ngƣời lái
có 4 cánh hay cịn đƣợc gọi là Quadrotorvới một số điều kiện nhƣ sau:

H

 Nghiên cứu loại Quadrotor 4 cánh công suất nhỏ sử dụng động cơ không
chổi than.

 Sử dụng các cảm biến góc và gia tốc.
 Thời gian bay trong khoảng 5 phút.
 Cho phép hoạt động trong phịng thí nghiệm và ngồi trời.
 Lực nâng tối đa của robot là 1kg.
 Mục tiêu của đề tài là tập trung chủ yếu vào bài toán điều khiển cân bằng.


3

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
1.5.1 Ý nghĩa khoa học .

Đề tài hoàn thành là bƣớc khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụng
Quadrotor có tính phức tạp cao hơn. Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên
cứu đƣợc, làm tài liệu tham khảo cho các cơng trình nghiên cứu sau này.
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn:
Tích hợp camera wifi độ phân giải cao để quay phim và chụp ảnh gửi về
máy tính trong các ứng dụng giám sát và thăm dị.
Tích hợp hệ thống định vị tồn cầu GPS để Quadrotor có thể tự bay không cần

H

ngƣời điều khiển mà chỉ phụ thuộc vào các trạm điều khiển mặt đất thơng qua sóng
wifi. Việc tích hợp thêm hệ thống định vị GPS là một bƣớc tiếp theo giúp cho

C

quadrotor trở nên linh hoạt hơn trong q trình thực hiện nhiệm vụ.
Ngồi ra, việc tích hợp thêm một số thiết bị phụ trợ phục vụ cho từng loại

TE

nhiệm vụ cũng cần đƣợc quan tâm nhƣ việc lắp thêm các cảm biến siêu âm, cảm
biến từ trƣờng, cảm biến ảnh 3D … để tránh vật cản, xây dựng bản đồ và dị tìm
mục tiêu…

U

Phát triển đề tài với các ứng dụng trong quân sự nhƣ tích hợp thêm vũ khí để có
thể do thám và tấn công các mục tiêu nhằm tránh thƣơng vong cho con ngƣời.

H

1.6 Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Mở đầu

Chƣơng 2: Tổng quan
Chƣơng 3: Cơ sở điều khiển
Chƣơng 4: Mô phỏng.
Chƣơng 5: Thi công.
Chƣơng 6: Tổng kết.


4

Chƣơng 2: TỔNG QUAN
2.1 Lịch sử phát triển Quadrotor.
Chiếc Quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa
học ngƣời Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo. Nó đƣợc mang tên là
“Breguet - Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầu đƣợc đƣa ra là nó có thể cất cánh
khỏi mặt đất với 1 phi công. 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 các cánh. Bộ khung của chiếc quadrotor này làm từ các
ống thép. Tổng trọng lƣợng của nó vào khoảng 500kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên

H

U

TE

C

H

diễn ra tại Douai- Pháp vào năm 1907. Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.

Hình 2.1 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.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 khơng bao
giờ đƣợc sử dụng nữa.


5

Hình 2.2 Quadrotor của Etienne Oemichen
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế

H

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. Ngồi ra,

C

nócịn đƣợc gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc quadrotor này

H

U

giá thành cao.

TE

đƣợc đặt tên là ”Bạch tuộc bay”. Nhƣng dự án này bị hủy bỏ vì khả năng bay thấp,

Hình 2.3Bạch tuộc bay
Từ đó, quadrotor khơng cịn 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 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


6

thơng thƣờng.Khung đƣợc làm bằng ống sợi các-bon có trọng lƣợng nhẹ nhƣng đủ
bền.X-pro sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày nay, rất nhiều
nhà nghiên cứu sử dụng X-pro nhƣ một phƣơng tiện cơ bản phục vụ cho các cơng

H

việc nghiên cứu.

Hình 2.4Draganflyer X-Pro

C

Cơng việc nghiên cứu về Quadrotor đã đƣợc quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên
cứu khác nhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng quadrotor là một lựa chọn tốt cho các

TE

ứng dụng của UAV so với một máy bay trực thăng thông thƣờng.Quadrotor ngày
càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự cũng nhƣ dân sự.Nó đã mang
lại cho các nhà khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu.

U

2.2 Đặt vấn đề

UAV (Unmanned Arial Vehicle) là một thiết bị bay có gắn động cơ nhƣng

H

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.
Ngày nay, một số lƣợng lớn UAV đƣợc phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu

cầu đƣợc đặt ra. Thông qua số lƣợng các UAV đang đƣợc sử dụng cho thấy không
thể phủ nhận khả năng của các phƣơng tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh
hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phƣơng tiện bay lên thẳng có thể bay trong các
khu vực thấp hơn so với mặt nƣớc biển và cung cấp chi tiết các thơng tin về khu vực
đó thơng qua các trạm điều khiển.
Các UAV đƣợc biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các
thiết bị quân sự. Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nƣớc nhƣ Mỹ, Tây
Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tƣ cho các cơng trình nghiên cứu và phát

7

triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau đƣợc thiết
kế và đƣa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng dụng cho các
lĩnh vực khác cũng đƣợc quan tâm nhƣ quan sát núi lửa, điều tra môi trƣờng, bảo
dƣỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nơng nghiệp… Ngày càng có
nhiều các ứng dụng thƣơng mại đƣợc phát triển với UAV.
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 này chỉ bƣớc đầu đƣợc

H

sinh viên các Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật, …
thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp và thực tế chƣa đi sâu vào nghiên cứu mơ hình

C

tốn học cũng nhƣ các vấn đề về động học và động lực học. Bên cạnh đó cũng có
cơng trình nghiên cứu và chế tạo của kỹ sƣ Lê Công Danh đƣợc PGS-TS Lê Hoài
nghiệm.

TE

Quốc đánh giá cao nhƣng hiện nay vẫn cịn đang trong q trình nghiên cứu và thử
Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành cơng một sản phẩm

U

cơng nghệ thì đòi hỏi ngƣời thực hiện phải nắm đƣợc lýthuyết vững chắc kết hợp với
kinh nghiệm thực tế. Thực tế cũng chứng minh rằng mơ hình Quadrotor đƣợc nghiên

H

cứu và chế tạo ở Việt Nam hiện nay vẫn cũng chỉ là các dựán 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 khi tiến hành thiết kế và thi cơng
mơ hình bay thực tế những ngƣời thực hiện sẽ có cơ sở khoa học vững chắc.
2.3 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn.
2.3.1 Nhiệm vu:
 Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển Quadrotor.
 Xác định mô hình tốn học của Quadrotor.
 Xây dựng mơ hình và thuật tốn điều khiển Quadrotor .
 Mơ phỏng mơ hình Quadrotor sử dụng Matlab Simulink.


8

 Thi cơng mơ hình Quadrotor để kiểm nghiệm thực tế.
 Nhận xét kết quả đạt đƣợc và so sánh với các kết quả đã đƣợc trong và
ngoài nƣớc.
2.3.2 Mục tiêu:
 Mơ tả đƣợc mơ hình tốn học của 1 thiết bị bay khơng ngƣời lái.
 Xây dựng thuật tốn điều khiển ổn định và chính xác.
 Mơ hình thi công phải đáp ứng đƣợc các vấn đề về cơ khí và điều

H

U

TE

C

H

khiển, thẩm mỹ, giá thành thấp.


9

Chƣơng 3: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN
3.1 Giới thiệu Quadrotor
3.1.1 Định nghĩa: Quadrotor có thể đƣợc định nghĩa là một phƣơng tiện bay có
4 cánh quạt gắn lên phía cuối của một khung hình chữ thập.

U

TE

C

3.1.2 Ngun lí hoạt động

H

Hình 3.1Quadrotor.

Hình 3.2Nguyên lí hoạt động của Quadrotor.

H

Cặp cánh quạt phía trƣớc và phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, trong khi đó
cặp cánh bên phải và bên trái lại quay ngƣợc chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng mômen xoay đƣợc tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy
bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ. Góc nghiêng đƣợc điều khiển
khi thay đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho giữ
nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tƣơng tự, góc lật cũng đƣợc điều
khiển bởi mối quan hệ giữa 2 tốc độ của 2 cánh phía trƣớc và phía sau. Góc xoay lại
đƣợc thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên phải và bên trái liên quan
tới tốc độ của cặp cánh phía trƣớc và phía sau.
Khi đó, tổng lực đẩy sinh ra bởi các cặp cánh đƣợc giữ không đổi. Độ cao của
Quadrotor thay đổi khi tăng hoặc giảm đồng thời tốc độ của các cánh quạt.


10

3.1.2.1 Trạng thái lơ lửng (Hover):
Quadrotor sẽ bay lơ lửng trong không trung. Ở trạng thái này, tất cả các
cánh quạt quay cùng một tốc độ không đổi (1 = 2 =  3 = 4).

Hình 3.3Trạng thái lơ lửng.

H

3.1.2.2 Trạng thái bay lên/xuống (Throttle):

Quadrotor sẽbay lên hoặc hạ xuống theo phƣơng thẳng đứng. Để bay lên,

C

tốc độ của 4 cánh quạt tăng lên, hạ xuống thì cả 4 cánh cùng giảm tốc độ, lúc đó sẽ
sinh ra một hợp lực dọc trục theo phƣơng z điều khiển quadrotor bay lên hoặc bay

H

U

TE

xuống.

Hình 3.4Trạng thái bay lên/xuống.

Trong đó:

𝑍:là gia tốc theo phƣơng Zb.
Ω𝐻 :là vận tốc góc của cánh quạt.
Δ𝐴 :là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 để bay lên hay hạ xuống.
Lƣu ý: Δ𝐴 khơng đƣợc q lớn vì sẽ ảnh hƣởng đến độ ổn định và cân bằng.
3.1.2.3 Trạng thái nghiêng trái/phải (Roll):
Quadrotor bay nghiêng bên trái hoặc bên phải, để bay nghiêng bên phải
(bên trái) giữ nguyên tốc độ của 2 cánh quạt trƣớc và sau, tăng (giảm) tốc độ của
cánh quạt bên trái và giảm (tăng) tốc độ cánh quạt bên phải. Khi đó moment sinh ra


11

quay quanh trục Xb làm cho tổng lực nâng của các cánh quạt khơng cịn nằm theo
phƣơng thẳng đứng mà theo phƣơng chuyển động.

Hình 3.5Trạng thái nghiêng trái/phải
Trong đó:

Ω𝐻 :là vận tốc góc của cánh quạt.

H

Φ:là gia tốc theo phƣơng Xb.

C

Δ𝐴 ,Δ𝐵 (Δ𝐴 ≈ ∆𝐵 ): là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 .

TE

3.1.2.4 Trạng thái lật trƣớc/ sau (Pitch):

Quadrotor sẽ bay tới trƣớc hoặc bay lùi về sau. Tƣơng tự nhƣ khi bay
nghiêng trái/ phải, 2 cánh quạt trái và phải giữ một tốc độ nhƣ nhau. Để bay tới
(lùi) điều khiển tăng(giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (tăng) tốc độ cánh quạt

H

U

trƣớc, sinh ra moment xoay quanh truc Yb.

Hình 3.6Trạng thái lật trƣớc/sau
Trong đó:

ϑ: là gia tốc theo phƣơng Yb
Ω𝐻 :là vận tốc góc của cánh quạt.
Δ𝐴 ,Δ𝐵 (Δ𝐴 ≈ ∆𝐵 ): là lƣợng tăng hoặc giảm của Ω𝐻 .