Thiết kế và điều khiển máy bay bốn cánh quạt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (17.98 MB, 82 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
HUỲNH HOÀI AN
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY BỐN
CÁNH QUẠT
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: TS. PHẠM CƠNG BẰNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010
Luận văn thạc sĩ
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ, gia đình và bạn bè đã hỗ trợ giúp đỡ tơi trong
thời gian qua để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.
Xin cảm ơn thầy TS. Phạm Công Bằng là người hướng dẫn luận văn đã đưa ra
những ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện đề tài
này.
Xin cảm ơn thầy TS. Chung Tấn Lâm là người đã hỗ trợ trực tiếp kinh phí để tơi
có thể hồn thành mơ hình cũng như đưa ra các lời khun hữu ích trong quá trình làm
thực nghiệm.
Xin cảm ơn thầy PGS.TS. Lê Hoài Quốc đã tạo điều kiện nơi làm việc tốt để tơi
thực hiện đề tài và đóng góp ý kiến để hoàn thiện đề tài hơn.
Cuối cùng xin cám ơn các bạn KS. Lê Anh trung, Lý Văn Mạnh, Trần Thanh
Trung và Nguyễn Đăng Duy đã hỗ trợ tôi trong q trình thiết kế cơ khí và tiến hành
làm thực nghiệm.
Do thời gian có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự
đóng góp ý kiến của q thầy cơ và các bạn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2010
Học viên thực hiện
Huỳnh Hồi An
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Luận văn thạc sĩ
Mơ hình máy bay khơng người lái là một đề tài nghiên cứu khoa học quan trọng
trong quân sự, viện nghiên cứu, các trường đại học và khoa học thám hiểm bởi những
ứng dụng thiết thực của nó. Một trong những ứng dụng quan trọng là thay thế con
người trong việc thu thập dữ liệu ở những nơi nguy hiểm hoặc con người khó tiếp cận.
Máy bay nói chung là một hệ thống phức tạp với sự kết hợp của nhiều lĩnh vực
khác nhau như cơ khí, điện tử, viễn thơng, khí động lực học, lý thuyết điều khiển,
khoa học máy tính…và nhiều bài tốn điều khiển cần phải giải quyết như cân bằng hệ
thống, ổn định vị trí và bay theo quỹ đạo đã được hoạch định sẵn, trong đó nền tảng là
bài tốn cân bằng.
Mơ hình máy bay khơng người lái phổ biến là dạng máy bay trực thăng bởi khả
năng di chuyển rất linh hoạt và có thể đứng yên một chỗ nên hỗ trợ tốt cho việc thu
thập dữ liệu và tiếp cận mục tiêu. Nổi bật trong đó là loại máy bay bốn cánh quạt với
kết cấu cơ khí rất đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo nên rất thích hợp cho việc nghiên cứu.
Với thời lượng có hạn nên nội dung của luận văn này tập trung vào xây dựng lý
thuyết mơ hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt để từ đó đưa ra luật điều khiển giúp
cho mơ hình có thể giữ cân bằng và ổn định vị trí. Dựa trên cơ sở lý thuyết, áp dụng
vào thực tế để giúp mơ hình cân bằng và bay lượn trong không gian thông qua bộ điều
khiển từ xa.
Luận văn bao gồm 5 chương với các nội dung như sau:
-
-
-
-
Chương 1: Tổng quan về máy bay bốn cánh quạt. Nội dung chương này sẽ
giới thiệu đề tài, mục tiêu và những nhiệm vụ cần thực hiện trong đề tài này.
Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống. Nội dung chương này sẽ đề cập đến việc
mơ hình hóa Quadrotor bằng phương trình tốn học mơ tả động học và động
lực học.
Chương 3: Thiết kế luật điều khiển. Nội dung chương này sẽ áp dụng luật
điều khiển để giữ cân bằng cũng như vị trí cho mơ hình và kiểm tra tính khả
thi của luật điều khiển thông qua kết quả mô phỏng.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm. Nội dung chương này sẽ giải quyết bài
toán cân bằng và kiểm nghiệm thực tế khả năng cân bằng của Quadrotor trong
không gian.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Nội dung chương này sẽ đánh giá
kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài trong tương lai.
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Luận văn thạc sĩ
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY BỐN CÁNH QUẠT .............................. 8
Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 8
1.1
1.1.1
Giới thiệu .................................................................................................. 8
1.1.2
Cấu tạo ...................................................................................................... 9
1.1.3
Nguyên lý bay ......................................................................................... 10
1.1.4
Ưu nhược điểm ....................................................................................... 12
1.1.5
Ứng dụng ................................................................................................ 13
1.1.6
Lịch sử .................................................................................................... 13
1.2
Tình hình nghiên cứu .............................................................................. 14
1.2.1
Tình hình nghiên cứu ngồi nước ........................................................... 14
1.2.1.1 Trường ĐH bang Pennsylvania ............................................................ 14
1.2.1.2 University of British Colombia Vancouver, BC, Canada .................... 15
1.2.1.3 Trường ĐH Cornell............................................................................... 15
1.2.1.4 Viện công nghệ Swiss Federal .............................................................. 16
1.2.1.5 Trường ĐH kỹ thuật Compiegne, Pháp ................................................ 17
1.2.1.6 Trường ĐH Stanford ............................................................................. 18
1.2.2
Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................... 19
1.3
Mục tiêu đề tài ........................................................................................ 20
1.4
Tổ chức luận văn .................................................................................... 21
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ............................................................... 22
2.1
Giới thiệu ................................................................................................ 22
2.2
Hệ trục tọa độ.......................................................................................... 22
2.3
Phương trình động học ........................................................................... 24
2.4
Phương trình động lực học ..................................................................... 25
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 1
Luận văn thạc sĩ
2.5
Kết luận ................................................................................................... 27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN .......................................................... 28
3.1
Giới thiệu ................................................................................................ 28
3.2
Tuyến tính hóa mơ hình Quadrotor ........................................................ 29
3.3
Luật điều khiển Linear Quadratic Gaussian (LQG) ............................... 31
3.3.1
Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 32
3.3.2
Kết quả mô phỏng ................................................................................... 35
3.4
Kết luận ................................................................................................... 41
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................. 42
4.1
Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 42
4.2
Kết quả mô phỏng ................................................................................... 44
4.3
Kết quả bay thử nghiệm .......................................................................... 47
4.3.1
Trường hợp bay khơng tải ...................................................................... 47
4.3.2
Trường hợp bay có tải............................................................................. 50
4.4
Kết luận ................................................................................................... 52
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 53
5.1
Kết luận ................................................................................................... 53
5.2
Hướng phát triển ..................................................................................... 53
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 54
PHỤ LỤC I
CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA QUADROTOR .......................... 54
PHỤ LỤC II
MƠ HÌNH CƠ KHÍ ............................................................................. 64
PHỤ LỤC III MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ ESC VÀ CÁNH QUẠT ........................ 69
PHỤ LỤC IV SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN .................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 75
HVTH: Huỳnh Hoài An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 2
Luận văn thạc sĩ
- ϕ: góc pitch
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
- θ: góc roll
- ψ: góc yaw
- xn: vị trí theo phương x trong hệ tọa độ định hướng
- yn: vị trí theo phương y trong hệ tọa độ định hướng
- zn: vị trí theo phương z trong hệ tọa độ định hướng
- ω୶ : vận tốc góc pitch
- ω୷ : vận tốc góc roll
- ω : vận tốc góc yaw
- u: vận tốc dài dọc theo phương x trong hệ tọa độ vật
- v: vận tốc dài dọc theo phương y trong hệ tọa độ vật
- w: vận tốc dài dọc theo phương z trong hệ tọa độ vật
- L: chiều dài từ động cơ tới tâm mơ hình.
- m: khối lượng mơ hình
- Ix: moment qn tính quanh trục x
- Iy : moment quán tính quanh trục y
- Iz : moment qn tính quanh trục z
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 3
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
-
IMU: Inertial Measurement Unit
-
EKF: Extened Kalman Filter
-
PWM: Pulse Width Modulation
-
BEC: Battery Eliminator Circuit
-
ESC: Electric Speed Control
-
BLDC: Brushless Direct Current
-
LQE: Linear Quadratic Estimation
-
LQR: Linear Quadratic Regulator
-
LQG: Linear Quadratic Gaussian
-
GPS: Global Positioning System
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 4
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Thông số kỹ thuật của động cơ FC2835-8T ................................................... 55
Bảng 2: Thông số kỹ thuật ESC-HiModel-30A ........................................................... 57
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của cánh quạt EEP1045 .................................................... 59
Bảng 4: Thông số kỹ thuật của pin Turnigy 3000mAh ................................................ 61
Bảng 5: Thông số kỹ thuật của nhôm và sợi carbon .................................................... 64
Bảng 6: Thông số khối lượng của Quadrotor ............................................................... 66
Bảng 7: Quan hệ giữa xung PWM và lực nâng của cánh quạt. .................................... 71
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 5
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình Quadrotor ......................................................................................... 8
Hình 1.2: Mơ hình máy bay trực thăng .......................................................................... 8
Hình 1.3: Cấu tạo Quadrotor .......................................................................................... 9
Hình 1.4: Cách bố trí chiều động cơ ............................................................................. 10
Hình 1.5: Ngun lý di chuyển sang phải của Quadrotor ............................................ 11
Hình 1.6: Nguyên lý quay quanh tâm của Quadrotor................................................... 11
Hình 1.7: Thiết kế Quadrotor của trường ĐH bang Pennsylvania ............................... 14
Hình 1.8: Mơ hình Quadrotor trường British Colombia Vancouver, BC, Canada ...... 15
Hình 1.9: Mơ hình Quadrotor của trường ĐH Cornell ................................................. 16
Hình 1.10: Mơ hình Quadrotor của viện cơng nghệ Swiss Federal ............................. 17
Hình 1.11: Mơ hình Quadrotor của trường ĐH kỹ thuật Compiegne .......................... 17
Hình 1.12: Mơ hình Quadrotor được thiết kế bởi trường ĐH Stanford ....................... 18
Hình 1.13: Mơ hình Quadrotor Trường ĐH GTVT Tp.HCM ...................................... 19
Hình 1.14: Mơ hình Quadrotor ..................................................................................... 21
Hình 2.1: Hệ trục tọa độ ............................................................................................... 22
Hình 3.1: Sơ đồ khối LQG ........................................................................................... 33
Hình 3.2: Đáp ứng góc xoay trường hợp 1 ................................................................... 37
Hình 3.3: Đáp ứng vị trí trường hợp 1 .......................................................................... 38
Hình 3.4: Lực nâng các cánh quạt trường hợp 1 .......................................................... 39
Hình 3.5: Đáp ứng góc xoay trường hợp 2 ................................................................... 40
Hình 3.6: Đáp ứng vị trí trường hợp 2 .......................................................................... 41
Hình 4.1: Đáp ứng góc xoay......................................................................................... 45
Hình 4.2: Lực nâng các cánh quạt ................................................................................ 46
Hình 4.3: Đáp ứng góc xoay trong trường hợp bay khơng tải ..................................... 47
Hình 4.4: chu kỳ nhiệm vụ cung cấp cho các ESC trường hợp bay không tải ............. 48
Hình 4.5: Bay thử nghiệm 1 trường hợp khơng tải ...................................................... 49
Hình 4.6: Bay thử nghiệm 2 trường hợp khơng tải ...................................................... 49
Hình 4.7: Bay thử nghiệm 3 trường hợp khơng tải ...................................................... 49
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 6
Luận văn thạc sĩ
Hình 4.8: Đáp ứng góc xoay trong trường hợp bay có tải ............................................ 50
Hình 4.9: PWM cung cấp cho các ESC trường hợp bay có tải .................................... 51
Hình 4.10: Bay thử nghiệm 1 trường hợp có tải........................................................... 52
Hình 4.11: Bay thử nghiệm 2 trường hợp có tải........................................................... 52
Hình II.1: Các thành phần chính của Quadrotor........................................................... 65
Hình II.2: Mơ hình 3D .................................................................................................. 65
Hình II.3: Mơ hình hồn chỉnh ..................................................................................... 66
Hình II.4: Ngàm thanh .................................................................................................. 67
Hình II.5: Biểu đồ phân bố ứng suất ............................................................................ 68
Hình II.6: Biểu đồ phân bố biến dạng uốn của thanh ................................................... 68
Hình III.1: Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................ 69
Hình III.2: Mơ hình hóa động cơ-ESC-cánh quạt ........................................................ 70
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 7
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY BỐN CÁNH QUẠT
1.1 Đối tượng nghiên cứu
1.1.1 Giới thiệu
Máy bay bốn cánh quạt (Quadrotor hay Quadrocopter) là dạng máy bay lên thẳng
gồm 4 động cơ giống nhau được bố trí đối xứng nhau như hình 1.1 [1]. Đối với máy
bay trực thăng thơng thường như hình 1.2 [2], việc di chuyển dựa trên sự thay đổi góc
nghiêng của cánh quạt chính. Quadrotor có bốn cánh quạt được lắp cố định lên bốn
động cơ và di chuyển dựa trên sự thay đổi vận tốc của tất cả bốn cánh quạt từ đó thay
đổi lực nâng của từng cánh và tạo ra góc nghiêng giúp máy bay di chuyển.
Hình 1.1: Mơ hình Quadrotor
Hình 1.2: Mơ hình máy bay trực thăng
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 8
Luận văn thạc sĩ
1.1.2 Cấu tạo
Các thành phần chính cấu thành Quadrotor (hình 1.3) [3] bao gồm:
-
Khung sườn: có chức năng liên kết với các thành phần còn lại.
-
Cánh quạt: có chức năng khi quay tạo ra lực đẩy để nâng mơ hình.
-
Động cơ: có chức năng tạo moment cung cấp cho cánh quạt.
-
ESC: có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển để điều khiển
vận tốc động cơ.
-
Cảm biến góc xoay: có chức năng xác định góc xoay của mơ hình và gửi về
mạch điều khiển.
-
Mạch điều khiển: có chức năng nhận các tín hiệu từ cảm biến góc rồi dùng
thuật tốn điều khiển để khử sai số góc xoay thơng qua điều khiển vận tốc các
động cơ.
-
Pin: có chức năng cung cấp điện năng cho mạch điều khiển, cảm biến, ESC và
động cơ.
-
Chân đế: có chức năng bảo vệ các thành phần lắp phía dưới mơ hình.
Hình 1.3: Cấu tạo Quadrotor
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 9
Luận văn thạc sĩ
1.1.3 Nguyên lý bay
Khi cánh quạt quay, khơng khí bị đẩy xuống dưới tạo ra lực nâng theo định luật II
Newton, ngồi ra nó cịn tạo ra moment xoắn quanh tâm. Vì vậy khi 4 cánh quạt giống
nhau quay cùng chiều sẽ luôn tạo ra moment xoắn làm máy bay ln quay quanh tâm
của nó. Để khử moment xoắn này, các động cơ được bố trí sao cho hai động cơ đối
diện nhau quay cũng chiều và hai động cơ kế nhau quay ngược chiều nhau như hình
1.4, khi đó hướng nghiêng của cánh quạt cũng được thay đổi tương ứng sao cho khi
quay chúng đều tạo lực nâng lên.
Hình 1.4: Cách bố trí chiều động cơ
Để máy bay cất cánh dọc theo phương thẳng đứng với mặt đất thì vận tốc của 4
động cơ về mặt lý thuyết phải bằng nhau để lực nâng của các cánh quạt là như nhau.
Trên thực tế do sai số hình dáng trong q trình chế tạo, mơ hình khơng đối xứng hoặc
do nhiễu, nên vận tốc của các cánh quạt sẽ khơng như nhau. Vì vậy để máy bay cất
cánh theo phương thẳng đứng với mặt đất thì cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, góc
nghiêng và luật điều khiển để bù trừ sai số.
Muốn điều khiển bay theo một hướng nào đó, chỉ cần thay đổi vận tốc của các
động cơ, ví dụ di chuyển sang phải theo phương trục Ox như trong hình 1.5, tăng vận
tốc động cơ 4, giảm vận tốc động cơ 2 và giữ nguyên vận tốc động cơ 1 và 3 sẽ tạo ra
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 10
Luận văn thạc sĩ
moment xoay quanh trục Oy làm cho Quadrotor bay về phía bên phải. Một điều cần
lưu ý là tổng moment xoắn của động cơ 1 và 3 phải luôn bằng với động cơ 2 và 4 về
mặt lý thuyết để mơ hình triệt tiêu moment xoắn gây ra bởi các động cơ.
Hình 1.5: Nguyên lý di chuyển sang phải của Quadrotor
Để máy bay quay quanh trọng tâm, chỉ cần thay đổi đồng thời vận tốc của hai
động cơ đối diện nhau. Khi đó tổng moment xoắn của các động cơ khơng bị triệt tiêu
làm cho mơ hình quay quanh trọng tâm như hình 1.6. Lưu ý, khi thay đổi phải đảm
bảo sao cho tổng lực nâng của bốn cánh quạt không đổi so với trước khi thay đổi để
máy bay chỉ có thể quay quanh tâm của nó mà khơng thay đổi cao độ. Ví dụ, nếu tăng
đồng thời vận tốc cánh quạt 2 và 4 thì phải giảm đồng thời cánh quạt 1 và 3 một lượng
tương ứng về mặt lý thuyết như trường hợp hình 1.6a.
(a) Ngược chiều kim đồng hồ
(b) Cùng chiều kim đồng hồ
Hình 1.6: Nguyên lý quay quanh tâm của Quadrotor
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 11
Luận văn thạc sĩ
1.1.4 Ưu nhược điểm
Quadrotor rất linh hoạt như các loại máy bay trực thăng khác, có thể cất cánh và
hạ cánh dễ dàng, không cần đường bay như máy bay cánh bằng, thay đổi hướng bay
rất dễ dàng, hơn nữa kích thước cũng nhỏ hơn so với máy bay trực thăng thơng
thường vì khơng cần cánh đi để bù moment xoắn, vì vậy nó có khả năng di chuyển
trong không gian hẹp.
Đối với máy bay trực thăng thơng thường, việc trang bị thêm cánh đi chỉ mục
đích bù moment xoắn gây ra bởi cánh chính làm cho nó phải tốn thêm chi phí và năng
lượng để làm nhiệm vụ này. Quadrotor không cần phải tốn năng lượng đó vì các động
cơ khi quay có khả năng triệt tiêu moment này như đã trình bày trong phần 1.1.3.
Khơng giống như các loại máy bay trực thăng thông thường, là loại máy bay di
chuyển dựa trên sự thay đổi góc nghiêng của cánh quạt, do đó việc chế tạo cơ khí rất
phức tạp, Quadrotor có cơ cấu cơ khí rất đơn giản, dễ dàng chế tạo do đó giảm thời
gian và chi phí thiết kế, vì vậy Quadrotor thích hợp trong việc nghiên cứu không gian.
Việc điều khiển máy bay dựa trên sự thay đổi vận tốc động cơ làm cho việc tự
động hóa trở nên dễ dàng hơn. Đối với máy bay trực thăng khác, việc thay đổi hướng
bay bằng cách thay đổi góc nghiêng cánh quạt thơng qua cơ cấu cơ khí, do đó q
trình điều khiển cũng như chế tạo phức tạp hơn.
Đối với máy bay trực thăng thông thường cũng như máy bay cánh bằng, động cơ
chính chỉ làm nhiệm vụ tải mơ hình, cịn việc giữ cân bằng và đổi hướng bay hay di
chuyển là do các động cơ phụ đảm nhận, do đó động cơ chính có thể dùng động cơ đốt
trong để tăng khả năng tải cũng như dùng nguồn nhiên liệu nên có thể bay lâu với tải
trọng lớn được. Đối với Quadrotor, các động cơ vừa làm nhiệm vụ nâng tải trọng vừa
cân bằng mơ hình và thay đổi hướng bay nên rất khó để dùng động cơ đốt trong vì khó
tự động hóa do tốc độ đáp ứng của động cơ đốt trong chậm không đáp ứng được yêu
cầu của giải thuật điều khiển cân bằng. Vì vậy Quadrotor không thể mang tải trọng lớn
cũng như bay lâu được, điều này làm cho Quadrotor chỉ thích hợp cho ứng ứng dụng
về máy bay khơng người lái.
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 12
Luận văn thạc sĩ
1.1.5 Ứng dụng
Máy bay không người lái là một phần quan trọng của nghiên cứu khoa học cả về
lĩnh vực qn sự và khơng gian. Nó được dùng trong những mơi trường nguy hiểm
hoặc khó tiếp cận để thu thập dữ liệu thay cho con người.
Trong quân sự máy bay có thể được trang bị thêm camera ghi lại hình ảnh để do
thám khảo sát tình hình.
Trong ngành giải trí, nó được dùng để quay phim từ góc nhìn trên khơng gian để
quay phim quảng cáo hoặc phim ảnh, ứng dụng này rất phổ biến trong phim ảnh nước
ngồi nhưng cịn mới mẻ trong phim ảnh Việt Nam. Ngồi ra nó cịn được dùng để
sản xuất đồ chơi.
1.1.6 Lịch sử
Các nghiên cứu đầu tiên về Quadrotor đã bắt đầu từ đầu thế kỷ 20, một trong số
các kỹ sư tiên trong trong thiết kế Quadrotor là Etienne Oemichen. Etienne Oemichen
đã bắt đầu nghiên cứu vào năm 1920 và đã hoàn thành phiên bản đầu tiên mang tên
Oemichen No.1. Thiết kế này bao gồm 4 rotor với động cơ 25 mã lực. Tuy nhiên trong
suốt quá trình thử bay, Etienne Oemichen đã không thể bay được. Hai năm sau đó,
Oemichen đã hồn thành phiên bản thiết kế thứ hai mang tên Oemichen No.2. Thiết
kế này bao gồm 4 rotor và 8 cánh quạt với động cơ 125 mã lực.
Trong khi Oemichen đã bắt đầu công việc thiết kế ở Pháp, Dr.George de Bothezat
và Ivan Jerome cũng bắt đầu thiết kế cho họ vào tháng 1 năm 1921 cho khơng qn
Mỹ. Họ hồn thành thiết kế vào giữa năm 1922 và đã bay thử nghiệm vào tháng 10
năm 1922 tại Dayton, Ohio. Khối lượng máy bay khoảng 1700 kg bao gồm 4 rotor 6
cánh quạt với động cơ 220 mã lực. Sau khi thử nghiệm, Quadrotor chỉ có thể đạt được
thời gian bay tối đa 1 phút 42 giây và độ cao tối đa 1.8m.
Sau Oemichen, Bothezat và Ivan Jerome, nhiều nhà nghiên cứu khác cũng đã chế
tạo thành cơng Quadrotor cho riêng họ.
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 13
Luận văn thạc sĩ
1.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
1.2.1.1 Trường ĐH bang Pennsylvania
Đây là đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ (hình 1.7). Mục tiêu của đề tài này là
thiết kế một mơ hình máy bay có trọng lượng nhẹ với cảm biến và vi điều khiển chi
phí thấp, điều này sẽ có ích trong việc phát triển một dạng máy bay không người lái
nhỏ gọn, bán tự động hoặc tự động.
Mơ hình sử dụng cảm biến tích hợp Inertial Measurement Unit (IMU) gồm 3 cảm
biến analog vận tốc góc (gyros ADXRS150EB), một cảm biến gia tốc 3 trục
ADXL210EB. Việc điều khiển bay lượn trong không gian thông qua bộ điều khiển từ
xa Joystick, giá trị nhận được từ bộ điều khiển này sẽ chuyển thành lực đẩy và vận tốc
góc pitch, roll, yaw mong muốn. Vận tốc góc của mơ hình được đo bằng bằng gyros
và luật điều khiển PI (Proportional and Integral) được dùng bởi vi điều khiển để tính
tốn vận tốc của các động cơ mục đích giữ nguyên vận tốc mong muốn của mơ hình.
Kết quả của luật điều khiển PI làm giảm sai số giữa vận tốc thực và vận tốc mong
muốn [4].
Hình 1.7: Thiết kế Quadrotor của trường ĐH bang Pennsylvania
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 14
Luận văn thạc sĩ
1.2.1.2 University of British Colombia Vancouver, BC, Canada
Mơ hình Quadrotor được phát triển bởi khoa Điện tử và Kỹ thuật máy tính trường
British Colombia Vancouver, BC, Canada. Nghiên cứu tập trung vào sự phi tuyến của
mơ hình Quadrotor. Dựa trên mơ hình phi tuyến, bộ điều khiển H-Infinitive được thiết
kế cho việc ổn định, điều khiển vận tốc, lực nâng và góc yaw.
Trong mơ hình này sử dụng vi xử lý PIC16F877 kết hợp với DS1102. Tín hiệu ra
được sử dụng để điều khiển bốn động cơ và bốn kênh Futaba radio được dùng để
truyền dữ liệu. Mơ hình làm bằng sợi carbon cho gọn nhẹ và dễ điều khiển như hình
1.8 [5].
Hình 1.8: Mơ hình Quadrotor trường British Colombia Vancouver, BC, Canada
1.2.1.3 Trường ĐH Cornell
Dự án máy bay tự động của trường đại học Cornell: tiến hành sản xuất một loại
máy bay có thể bay luợn một cách tự động với mức độ an toàn cao (hình 1.9). Thiết kế
cơ khí bao gồm việc chọn lựa các thành phần như pin, động cơ, hộp giảm tốc, cánh
quạt và thiết kế phần khung cứng vững nhưng tương đối nặng, khối lượng tổng cộng
gần 6.22kg.
Trong khi thiết kế cảm biến IMU cho việc xác định các góc xoay và vận tốc góc
của mơ hình, bộ lọc Kalman được dùng để ước lượng các trạng thái và các thông số
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 15
Luận văn thạc sĩ
sai lệch của các cảm biến gia tốc và vận tốc góc gyros. Luật điều khiển cho việc giữ
cân bằng là Linear Quadratic Regulator dựa trên mô hình động học phi tuyến đã được
tuyến tính hóa [6].
Hình 1.9: Mơ hình Quadrotor của trường ĐH Cornell
1.2.1.4 Viện cơng nghệ Swiss Federal
Nghiên cứu của viện công nghệ Swiss Federal bao gồm cả thiết kế cơ khí, mơ
hình hóa, cảm biến và điều khiển Quadrotor bay trong nhà với tên gọi là OS4 [7].
Từ PC thông qua cổng giao tiếp nối tiếp RS232, tín hiệu được gửi tới module điều
khiển động cơ thông qua bộ chuyển đổi giao thức I2C-RS232 để điều khiển các động
cơ mục đích là để kiểm tra khả năng cân bằng của máy bay. Vi điều khiển PIC16F877
có nhiệm vụ điều khiển mơ hình thơng qua luật điều khiển PID, sẽ điều khiển vận tốc,
vị trí, và cả moment của bốn động cơ. Bộ cảm biến IMU MT9_B8 được thiết kế với
bộ lọc Kalman có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu trả về từ cảm biến (là dữ liệu về vận tốc
góc và gia tốc của Quadrotor), bộ này nặng khoảng 33g và giao tiếp với tốc độ là 115
kbps. Bộ khung Quadrotor làm bằng sợi carbon nên rất gọn nhẹ, trọng lượng là 240g,
trong đó 4 động cơ, mỗi động cơ nặng khoảng 29g bao gồm encoder từ, 4 hộp giảm
tốc và 4 cánh quạt, mỗi thứ nặng 6g.
Trước khi tiến hành cho bay thử ở ngoài trời, họ đã tiến hành một vài mơ phỏng
bằng Matlab để tìm bộ thơng số thích hợp cho luật điều khiển PID cũng như sai số ban
đầu của các góc roll, pitch, yaw. Mơ hình thí nghiệm như hình 1.10.
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 16
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.10: Mơ hình Quadrotor của viện công nghệ Swiss Federal
1.2.1.5 Trường ĐH kỹ thuật Compiegne, Pháp
Mô hình Quadrotor dựa vào mơ hình DraganFlyer, đặt tên là Polhemus [8] (hình
1.11). Sử dụng bộ Futaba Skysport 4 radio với 4 ngõ tín hiệu điều khiển. Radio và PC
(INTEL PENTIUM 3) được kết nối với card giao tiếp để thu thập dữ liệu
(ADVANTECH PCL-818HG and PCL-726). Radio sẽ kết nối trực tiếp với bộ chiết áp
của Joystick để điều khiển các góc roll, yaw, pitch. Để an tồn hơn trong khi tiến hành
thử nghiệm bay, họ đã làm hai chế độ điều khiển: điều khiển bằng tay và tự động.
Polhemus kết nối với PC thông qua cổng RS232. Các cảm biến bố trí ra xa các
driver và motor để tránh hiện tượng nhiễu điện từ. Mơ hình sử dụng ba gyros onboard
để điều khiển sự cân bằng. Mơ hình động học được xây dựng theo hướng tiếp cận
phương trình Lagrange. Thuật toán điều khiển dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov.
Hình 1.11: Mơ hình Quadrotor của trường ĐH kỹ thuật Compiegne
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 17
Luận văn thạc sĩ
1.2.1.6 Trường ĐH Stanford
Trường đại học Stanford có một dự án phát triển Quadrotor, gọi tên là
STARMAC [9] (hình 1.12). STARMAC là một loại máy bay lên thẳng sử dụng bốn
động cơ, có thể tự động bay theo một quỹ đạo định sẵn. Dự án STARMAC hướng vào
mục tiêu chính là thiết kế một loại máy bay bám theo đối tượng hồn tồn tự động.
Q trình thí nghiệm có sử dụng nhiều thuật tốn điều khiển khác nhau và tiến hành
so sánh để tìm ra luật điều khiển tối ưu nhất.
Dự án STARMAC dựa trên nền tảng là máy bay DragranFlyer III, có thể nâng
được tải trọng xấp xỉ là 113,40 gram và bay trong vòng 10 phút. Dự án sử dụng cảm
biến chuyển động 3D được phát triển bởi Microtrain, (3DM_G). Bộ IMU gồm các
gyros cung cấp các tín hiệu cho việc giữ cân bằng hệ thống, hoạt động ở tần số 50Hz.
Phần vị trí và đo tốc độ thì sử dụng Trimble Lassen LP GPS. Phần cảm biến độ cao thì
thêm vào downward-pointing sonic ranger (Sodar), dùng khi cất cánh và hạ cánh.
Sodar có tốc độ lấy mẫu là 10Hz, phạm vi hoạt động là 6 feet, mức độ chính xác lên
đến vài cm, trong khi GPS tính tốn vị trí ở tốc độ 1Hz, và độ chính xác theo phương
nằm ngang là 0.5m và theo phương thẳng đứng là 1m. Tín hiệu của tất cả các cảm
biến truyền về hai vi xử lý PIC của Microchip hoạt động ở tần số 40MHz. Việc lập
trình điều khiển dùng ngơn ngữ C. STARMAC cũng có hai chế độ, tự động và điều
khiển bằng tay. Ở chế độ tự động dùng thuật tốn điều khiển PD, cịn điều khiển bằng
tay thơng qua Joystick.
Hình 1.12: Mơ hình Quadrotor được thiết kế bởi trường ĐH Stanford
HVTH: Huỳnh Hoài An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 18
Luận văn thạc sĩ
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù Quadrotor đã được thế giới nghiên cứu từ lâu và đã được thương mại trên
thị trường nhưng trong nước thì vẫn cịn khá mới mẻ, hiện nay chỉ có vài cơng trình
nghiên cứu ở cấp độ luận văn đại học, chủ yếu dừng lại ở dạng tìm hiểu, đưa ra
phương án thiết kế và luật điều khiển tuy nhiên chỉ ở dạng đơn giản như PID, chưa
xây dựng được luật điều khiển bền vững để bù trừ các sai số và các nhiễu do môi
trường và cũng chưa kiểm chứng lý thuyết bằng mơ hình thực tế.
Có một cơng trình vừa mới cơng bố (tháng 12 năm 2009) là đề tài cấp sở của kỹ
sư Lê Công Danh, giảng viên khoa cơ khí trường ĐH Giao Thơng Vận Tải Tp.HCM
với thời gian hồn thành đề tài 2 năm (hình 1.13). Kết quả đạt được vẫn chưa tốt, việc
giữ thăng bằng của máy bay không tốt, độ ổn định chưa cao, còn dao động khá nhiều
và cần sự can thiệp của con người thông qua bộ điều khiển từ xa, luật điều khiển đơn
giản (PID) và xử lý tín hiệu từ các cảm biến chưa tốt là những vấn đề cịn tồn tại trong
đề tài này [10].
Hình 1.13: Mơ hình Quadrotor Trường ĐH GTVT Tp.HCM
HVTH: Huỳnh Hoài An
GVHD: TS. Phạm Công Bằng
Trang 19
Luận văn thạc sĩ
1.3 Mục tiêu đề tài
Xây dựng bộ điều khiển để giữ cân bằng và vị trí của máy bay, áp dụng bộ điều
khiển vào mơ hình thực tế để giữ cân bằng cho máy bay và có thể bay lượn trong
không gian thông qua bộ điều khiển từ xa. Do đó các nhiệm vụ trong luận văn này bao
gồm:
-
Thiết kế cơ khí mơ hình máy bay 4 cánh quạt có dạng như hình 1.14 và kiểm
tra tính bền vật liệu: phần này sẽ tiến hành vẽ mô hình cơ khí, kiểm tra độ
bền uốn dưới tác động của lực nâng cánh quạt.
-
Chế tạo mơ hình: phần này sẽ làm một mơ hình thực tế.
-
Mơ hình hóa Quadrotor: phần này sẽ đưa ra các phương trình động học và
động lực học của Quadrotor.
-
Thiết kế luật điều khiển: phần này sẽ áp dụng một luật điều khiển nhằm giúp
máy bay cân bằng và giữ vị trí trong khơng gian.
-
Thiết kế mạch điều khiển: phần này sẽ làm mạch điện có chức năng nhận các
giá trị góc xoay, vận tốc góc từ cảm biến và tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa,
thông qua luật điều khiển được nhúng vào vi điều khiển để xuất giá trị độ
rộng xung PWM điều khiển 4 động cơ để giữ cân bằng cho Quadrotor.
-
Kết quả mô phỏng: phần này sẽ đưa ra các đồ thị đáp ứng góc xoay và vị trí
của Quadrotor cũng như các đồ thị cung cấp lực của các cánh quạt. Các đồ
thị này là kết quả mô phỏng từ luật điều khiển.
-
Kết quả thực nghiệm: phần này sẽ tiến hành cho Quadrotor giữ cân bằng
trong không gian. Thu thập dữ liệu về góc xoay cũng như giá trị đầu vào
PWM hiển thị ra đồ thị.
Để thực hiện các nhiệm vụ nêu trên, các giả thuyết được đưa ra là:
-
Lực nâng của cánh quạt cùng với phương của vận tốc góc của cánh quạt.
-
Trọng tâm và tâm của mơ hình giả sử trùng nhau.
-
Mơ hình cứng tuyệt đối.
-
Mơ hình hồn tồn đối xứng.
-
Lực ma sát với khơng khí được bỏ qua.
HVTH: Huỳnh Hồi An
GVHD: TS. Phạm Cơng Bằng
Trang 20
