(Luận án tiến sĩ) xây dựng thuật toán ổn định và điều khiển UAV dạng tri rotor khối lượng nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

ĐẶNG VĂN THÀNH

XÂY DỰNG THUẬT TỐN ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV
DẠNG TRI-ROTOR KHỐI LƢỢNG NHỎ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

ĐẶNG VĂN THÀNH

XÂY DỰNG THUẬT TỐN ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV
DẠNG TRI-ROTOR KHỐI LƢỢNG NHỎ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS Trần Đức Thuận
2. TS Phạm Văn Nguyên

HÀ NỘI – NĂM 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Phạm Văn Nguyên. Các số liệu, kết
quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ.

NGƢỜI CAM ĐOAN

Đặng Văn Thành


ii

LỜI CẢM ƠN
Cơng trình nghiên cứu này đƣợc thực hiện tại Viện Khoa học và Công
nghệ quân sự/BQP.
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ hƣớng dẫn khoa
học:
PGS.TS. Trần Đức Thuận
TS. Phạm Văn Nguyên

đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả luận án chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và
Công nghệ Quân sự, Viện Tên lửa/Viện KH-CN quân sự, Khoa Hàng khơng
vũ trụ/Học viện KTQS, Phịng Đào tạo, Phịng Quản lý KHCN đã luôn quan
tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học và đồng
nghiệp đã quan tâm đóng góp nhiều ý kiến q báu trong q trình thực hiện
cơng trình khoa học này.
Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2021
Nghiên cứu sinh

Đặng Văn Thành


iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC ………….………………………………………………..……….……………………

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ………..…………………

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………..……………………………………………

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………..………….……………………

xi

MỞ ĐẦU ………………………………………….…………………………..…………………….

1

Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR ……..………...….

8

1.1.

Khát quát về tri-rotor ………………….…………………..….……………………

8

1.1.1. Nguyên lý điều khiển chuyển động tri-rotor ………………………….…

10

1.1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tri-rotor ……….....…………...……….….…

11

Tình hình nghiên cứu các thuật tốn điều khiển tri-rotor……......……..

13

1.2.

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ……………….……………………….……

14

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc ……………….….…………………………

14

1.2.3. Nhận xét …….….………………….……….………………………..…………………

18

1.3.

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

18

………………………………………..……

Kết luận Chƣơng I ……………….………...…….……………….…………………

19

Chƣơng II. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
CHO UAV DẠNG TRI-ROTOR ……………...….……...…………………….…….……

20

1.4.

2.2.

Các hệ tọa độ và tham số đặc trƣng khi xem xét chuyển động trirotor ………………….………………….…………………………..…….………………
Các đầu vào và đầu ra của mơ hình điều khiển tri rotor ……………

20
23

2.3.

Các lực và các momen tác động vào tri-rotor ……………………………

24

2.3.1. Lực …………….………………………………….….………………………..….………

25

2.1.


iv

2.3.2. Các momen xoắn ………………………………….……………………….…………

29

Mơ hình động học ………..………………………...….….……………….…………

32

2.4.1. Đối với chuyển động tịnh tiến ………………………………….….……………

32

2.4.2. Đối với chuyển động quay ……………………..…………….….……………….

33

2.5.

Xây dựng mơ hình điều khiển chuyển động cho tri-rotor …………...

38

2.6.

Kết luận Chƣơng II ……………………….……….…...………………….………

42

2.4.

Chƣơng III. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR MỘT CÁNH
NGHIÊNG ……………..…………...................……………………………….…….…….………

43

3.1. Các giả thiết ……..……………………………………….….……………….…………

43

3.2. Phân tích mơ hình động lực học tri-rotor ….….………………….…………

43

3.3. Tổng hợp các vòng điều khiển cho tri-rotor một cánh nghiêng …

51

3.3.1. Tổng hợp các bộ điều khiển các kênh roll, pitch, yaw …….…………

51

3.3.2. Tổng hợp các bộ điều khiển tốc độ dài các kênh X, Y, Z …….……

54

3.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí các kênh X, Y, Z …………….…………

58

3.4. Mô phỏng cho một số chế độ bay đặc thù …….……………….….………

59

3.4.1. Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển ổn định trạng thái …….

60

3.4.2. Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển tốc độ dài các kênh X,
Y, Z ……………………..………………………………………………….…….………
3.4.3. Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển C3 …….……….………………

61
62

3.4.4. Kết quả mô phỏng một số chế độ bay đặc thù ….…….……..……………

63

3.5. Xét sự ảnh hƣởng của gió ……………….…………………….………….…….…

70

3.6. Kết luận Chƣơng III .…………………….………………………………….………

78

Chƣơng IV. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR VỚI MƠ
HÌNH ĐẦY ĐỦ ……….……………………………………………..……………………….…
4.1. Xây dựng hệ điều khiển tri-rotor ứng dụng giải thuật
backstepping ……….…………………………………….……………………………

79
79

v

4.2. Xây dựng thuật toán điều khiển tri-rotor ứng dụng điều khiển
trƣợt
4.3. Mô phỏng điều khiển tri-rotor ……………….……………....….…………….…

90

4.3.1. Các thông số và điều kiện ban đầu ………………………..…..….……………

95

95

4.3.2. Mô phỏng điều khiển tri rotor theo ứng dụng giải thuật
backstepping ……………………..….………….………………..….…………..…….
96
4.3.3. Mô phỏng điều khiển tri-rotor theo luật điều khiển trƣợt ……….…
100
4.4. Kết luận Chƣơng IV …….……………..………..…………….…………………….

120

KẾT LUẬN ………….…………..…………………………..……..……….……….…………….

121

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ……….…

123

TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………..…………………..……………………..…….

124


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Fi :

Các lực đƣợc tạo ra từ các cánh quạt của tri-rotor [N ]

x:

Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ]

y:

Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ]

z:

Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E
trong hệ tọa độ B gắn với trái đất [m s 2 ]

 :

Gia tốc góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B
gắn với quadrotor [rad s 2 ]

 :

Gia tốc góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B
gắn với quadrotor [rad s 2 ]

 :

Gia tốc góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B
gắn với quadrotor [rad s 2 ]

i :

Góc nghiêng của động cơ servo thứ i

kt :

Hệ số lực cản [N.s2/rad2]

kf :

Hệ số lực đẩy [N.s2/rad2]

L:

Khoảng cách từ tâm tri-rotor đến tâm của động cơ [m]

Fg :

Trọng lực

Fpi :

Lực đẩy từ cánh quạt thứ i đƣợc biểu diễn trong không gian
Đề các


vii

F1:

Lực đẩy của cánh quạt trƣớc của tri-rotor [N ]

F2:

Lực đẩy của cánh quạt phải của tri-rotor [N ]

F3:

Lực đẩy của cánh quạt sau của tri-rotor [N ]

fi :

Lực đẩy tạo ra từ cánh quạt thứ i theo hƣớng trục động cơ

R :

Ma trận quay (roll-pitch-yaw)

Reb :

Ma trận quay từ hệ tọa độ E sang hệ tọa độ B

Rbe :

Ma trận quay từ hệ tọa độ B sang hệ tọa độ E

Rlbi :

Ma trận quay từ hệ tọa độ li sang hệ tọa độ B

Tpi :

Mô men đẩy sinh ra bởi lực đẩy tạo ra từ cánh quạt thứ i
theo hƣớng trục động cơ

Tp :

Mô men đẩy tổng sinh ra bởi tất cả các cánh quạt xung
quanh tâm khối lƣợng.

Td p :
i

x:

Mơ men cản vì sự quay của cánh quạt thứ i

Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]

y:

Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]

z:

Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]

 :

Tốc độ góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B
gắn với tri-rotor [rad s 1 ]


viii

 Rbe Rlb :
i

Tốc độ góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B
gắn với tri-rotor [rad s 1 ]

 :

Tốc độ góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B

gắn với tri-rotor [rad s 1 ]

i :

Tốc độ của các cánh quạt [rad . s 1 ]

m:

Tổng khối lƣợng UAV

Fp :

Tổng lực nâng sinh ra bởi tất cả các động cơ

Td :

Tổng mô men cản từ 3 cánh quạt

:

Véc tơ vận tốc của UAV trong hệ tọa độ Đề các.

x:

Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]

y:

Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E

trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]

z:

Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]

:

Vị trí góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B
gắn với tri-rotor [rad ]

:

Vị trí góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn
với tri-rotor [rad ]

:

Vị trí góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn
với tri-rotor [rad ]


ix

BĐK

Bộ điều khiển

PD

Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân

PID

Bộ điều khiển tỷ lệ,tích phân và vi phân

BLDC

Brushless Direct Current motot (Động cơ điện một chiều
khơng cổ góp)

DOF

Degree Of Freedom (Bậc tự do)

DC

Direct Current (Dịng điện một chiều)

FBL

Feedback Linearization (Tuyến tính hóa phản hồi)

FLC

Fuzzy Logic Controller (Bộ điều khiển Logic mờ)

GPS

Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu)

CLF

Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)

IR

InfraRed (Hồng ngoại)

IMU

Inertial Measurement Unit (Đơn vị đo lƣờng quán tính)

MCU

Micro Controller Unit (Bộ vi điều khiển)

MIMO

Multi - Input Multi - Out put (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra)

RC

Remote Controller (Điều khiển từ xa)

RF

Radio Frequency (Tần số vô tuyến)

UAV

Unnamed Air Vehicle (Phƣơng tiên bay không ngƣời lái)


x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 3.1

Các thông số mô phỏng tri-rotor một cánh nghiêng

59

Bảng 4.1

Các thông số mô phỏng tri-rotor mô hình đầy đủ

95

Bảng 4.2

Các điều kiện ban đầu

96


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1

Mơ hình tri-rotor

8

Hình 1.2

Mơ hình tri-rotor dạng 3D

9

Hình 1.3

Cấu tạo một cánh tay của tri-rotor

9

Hình 1.4

Nguyên lý điều khiển chuyển động của tri-rotor

10

Hình 1.5

Sơ đồ khối hệ điều khiển tri-rotor

11

Hình 2.1

Hệ tọa độ sử dụng trong xây dựng mơ hình tốn cho

20

tri-rotor
Hình 2.2

Mối quan hệ giữa hệ tọa độ trái đất E với hệ tọa độ

21

gắn với vật B
Hình 2.3

Hệ tọa độ địa lý

22

Hình 2.4

Sơ đồ đặt các hệ trục tọa độ của mỗi động cơ

22

Hình 2.5

Sơ đồ khối vào ra của tri-rotor

24

Hình 2.6

Các lực và mơ men trên mặt phẳng xb-yb

25

Hình 2.7

Sơ đồ mơ tả sự ràng buộc giữa các kênh của tri-rotor

37

Hình 3.1

Mơ hình phân tách động lực học của tri-rotor

48

Hình 3.2

Các tín hiệu cho điều khiển kênh X

49

Hình 3.3

Các tín hiệu cho điều khiển kênh Y

49

Hình 3.4

Các tín hiệu cho điều khiển kênh Z

50

Hình 3.5

Sơ đồ khối của hệ điều khiển các kênh tri-rotor

51

Hình 3.6

Sơ đồ khối của hệ điều khiển các kênh của tri-rotor

58

Hình 3.7

Sơ đồ khối hệ điều khiển các kênh của tri-rotor

59

Hình 3.8

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tri-rotor

60

Hình 3.9

Bộ điều khiển các kênh góc Euler và động lực học

61

phần góc quay của tri-rotor
Hình 3.10. Sơ đồ mơ phỏng các bộ điều khiển các kênh X, Y, Z

62

Hình 3.11.

Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển vị trí

62

Hình 3.12.

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 1

63

Hình 3.13.

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 2

65


xii

Trang
Hình 3.14.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2

65

Hình 3.15.

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 3

66

Hình 3.16.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3

67

Hình 3.17.

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 4

68

Hình 3.18.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4

69

Hình 3.19.

Sơ đồ mơ phỏng khối M2 xét đến ảnh hƣởng của gió

71

Hình 3.20.

Sơ đồ mơ phỏng khối M1 xét đến ảnh hƣởng của gió

71

Hình 3.21.

Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 1

72

Hình 3.22.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 1 khi có gió

73

Hình 3.23.

Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 2

74

Hình 3.24.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2 khi có gió

74

Hình 3.25.

Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 3

75

Hình 3.26.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3 khi có gió

76

Hình 3.27.

Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 4

77

Hình 3.28.

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4 khi có gió

77

Hình 4.1.

Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng điều khiển tri-rotor theo

97

luật điều khiển Backstepping
Hình 4.2.

Tín hiệu điều khiển U1

98

Hình 4.3.

Tín hiệu điều khiển U2

98

Hình 4.4.

Tín hiệu điều khiển U3

98

Hình 4.5.

Tín hiệu điều khiển U4

98

Hình 4.6.

Tín hiệu điều khiển U5

98

Hình 4.7.

Tín hiệu điều khiển U6

98

Hình 4.8.

Sự thay đổi góc chúc góc 

99

Hình 4.9.

Sự thay đổi góc hƣớng 

99

Hình 4.10. Sự thay đổi góc cren 

99

Hình 4.11. Chuyển động tri-rotor theo trục x

99

Hình 4.12. Chuyển động tri-rotor theo trục y

99

Hình 4.13. Chuyển động tri-rotor theo trục z

99


xiii

Trang
Hình 4.14. Tri-rotor bám theo độ cao đặt

100

Hình 4.15. Sai số bám theo độ cao

100

Hình 4.16. Tri-rotor bám theo tọa độ x đặt

100

Hình 4.17. Sai số bám theo tọa độ x

100

Hình 4.18. Tri-rotor bám theo tọa độ y đặt

100

Hình 4.19. Sai số bám theo tọa độ y

100

Hình 4.20.

Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng điều khiển tri-rotor theo

101

luật điều khiển trƣợt
Hình 4.21.

Thành phần số 1 lệnh điều khiển u1d

Hình 4.22. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

102
102

điều khiển số 1-u1e
Hình 4.23. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

103

điều khiển số 1-u1t
Hình 4.24.

Thành phần số 2 lệnh điều khiển u2d

Hình 4.25. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

103
104

điều khiển số 2-u2e
Hình 4.26. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

104

điều khiển số 2-u2t
Hình 4.27.

Thành phần số 3 lệnh điều khiển u3d

Hình 4.28. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

105
105

điều khiển số 3-u3e
Hình 4.29. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

106

điều khiển số 3-u3t
Hình 4.30.

Thành phần số 4 lệnh điều khiển u4d

Hình 4.31. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

106
107

điều khiển số 4-u4e
Hình 4.32. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

107

điều khiển số 4-u4t
Hình 4.33.

Thành phần số 5 lệnh điều khiển u5d

108

xiv

Trang
Hình 4.34. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

108

điều khiển số 5-u5e
Hình 4.35. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

109

điều khiển số 5-u5t
Hình 4.36.

Thành phần số 6 lệnh điều khiển u6d

Hình 4.37. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh

109
110

điều khiển số 6-u6c
Hình 4.38. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh

110

điều khiển số 6-u6t
Hình 4.39. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor khi tốc độ bay yêu cầu

111

là 0.35m/s
Hình 4.40. Lệnh điều khiển tổng hợp của thành phần số 1

111

trong véc tơ điều khiển u1d
Hình 4.41. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số

112

1 trong véc tơ điều khiển u1e
Hình 4.42. Lệnh điều khiển trƣợt khi tri-rotor lệch ra khỏi mặt

112

phẳng trƣợt các thành phần số 1-u1t
Hình 4.43. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor

113

Hình 4.44. Lệnh điều khiển tổng hợp của thành phần số 1 trong

113

véc tơ điều khiển u1d
Hình 4.45. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số

114

1 trong véc tơ điều khiển u1e
Hình 4.46. Lệnh điều khiển trƣợt khi tri-rotor lệch ra khỏi mặt

114

phẳng trƣợt các thành phần số 1-u1t
Hình 4.47. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor

115

Hình 4.48. Tín hiệu điều khiển u6d

115

Hình 4.49. Tín hiệu điều khiển u6e

116

Hình 4.50. Tín hiệu điều khiển u6t

116

Hình 4.51. Độ cao tri-rotor theo điều khiển trƣợt

117


xv

Trang
Hình 4.52. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục z

117

Hình 4.53. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục y

118

Hình 4.54. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục y

118

Hình 4.55. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục x

119

Hình 4.56. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục x

119

Hình 4.57. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor trong khơng

120

gian


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Ngày nay, các robot đƣợc thiết kế và chế tạo trên nền cơng nghệ tiên
tiến có độ thơng minh cao, có khả năng đƣa ra quyết định ở những tình huống
phức tạp và hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt [14],[24], chúng có
thể hỗ trợ con ngƣời trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là những công việc
nặng nhọc, những nơi con ngƣời khó có thể tới, cũng nhƣ những nơi nguy
hiểm đến sức khỏe và tính mạng của con ngƣời. Một trong những loại robot
đƣợc đầu tƣ nghiên cứu với những công nghệ tiên tiến và phát triển nhanh đó
là các phƣơng tiện bay khơng ngƣời lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle)
hay còn đƣợc gọi là robot bay.
UAV ban đầu đƣợc gọi là máy bay không ngƣời lái và xuất hiện lần
đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất, chúng thực hiện các nhiệm vụ
quân sự thuần túy, và kể từ đó UAV đã phát triển khơng ngừng cho những
ứng dụng khác nhau [10],[37],[48],[61]. Ứng dụng ƣu tiên hàng đầu của UAV
là sử dụng trong các hoạt động quân sự, nhƣ hoạt động trinh sát thu thập dữ
liệu và quan sát kẻ thù [9],[12],[51], các hệ thống UAV đƣợc sử dụng trong
các nhiệm vụ dân sự ở những vùng nguy hiểm hoặc ở những nơi khó khăn
cho con ngƣời thực hiện các nhiệm vụ [39],[40],[60]. Trong lĩnh vực nghiên
cứu khoa học, các UAV cũng đƣợc sử dụng trong một số nhiệm vụ điều tra tài
nguyên khu vực, thu thập dữ liệu, quan sát núi lửa, dự báo thời tiết, giám sát
các lãnh thổ tự trị và các hoạt động khác nhau [42],[46],[52]. Sự trải rộng các
ứng dụng của hệ thống UAV đã làm tăng sự quan tâm nghiên cứu về UAV và
làm cho lĩnh vực thiết kế và vận hành UAV là hƣớng phát triển năng động
nhất trong ngành hàng khơng vũ trụ [29], [62].
UAV có các cấu hình khác nhau và hoạt động theo các kiểu khác nhau
nhƣ máy bay cánh cố định, cánh xoay hoặc cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL

2

- Vertical Take-Off and Landing) với phân khúc phát triển nhanh chóng của
tất cả các thị trƣờng UAV [11],[73],[74]. Ngồi ra, các hệ thống VTOL đóng
góp chính trong các ứng dụng phi quân sự [39]. Bất kể chủng loại hay ứng
dụng, ngày nay, xu hƣớng chuyển sang các hệ thống UAV với trọng lƣợng
nhỏ hơn, linh hoạt hơn, ít tốn kém hơn và nhẹ hơn [13],[21],[34],[49], điều
này dẫn đến sự xuất hiện và phát triển của các phƣơng tiện thu nhỏ trên khơng
(MAV - micro air vehicle) và thậm chí là các UAV vi mô trong một số các dự
án đƣợc gọi là µUAV [14]. Hơn nữa, các dự án UAV mới nhất triển khai các
hệ thống nhiều UAV để thực hiện đƣợc nhiều nhiệm vụ phức tạp hơn và giám
sát đƣợc khu vực hoạt động rộng hơn [45],[68]. Các hoạt động nhiều UAV
đƣợc hƣởng lợi từ sự phát triển của công nghệ mới trong hệ thống dẫn đƣờng,
hệ thống truyền thông và điều khiển.
Việc thiết kế, chế tạo và vận hành một hệ thống UAV đƣợc kiểm soát
bởi một số yếu tố nhƣ cơ học bay, phƣơng tiện đo, khả năng tính tốn máy
tính nhúng và những giới hạn vật lý của thiết bị [18]. Từ quan điểm nghiên
cứu, tất cả các yếu tố và các khía cạnh khác của hệ thống UAV đƣợc phân
tích và nghiên cứu với mục tiêu cuối cùng là nâng cao khả năng và tính ổn
định của UAV, giảm thiểu các yêu cầu về năng lƣợng và đạt đƣợc tự động
bay hoàn toàn [15],[42],[63]. Với việc số lƣợng các cơng trình nghiên cứu
về các lĩnh vực của UAV tăng nhanh trong thời gian vừa qua, một số
những thách thức và khó khăn của lĩnh vực này đã giải quyết đƣợc, tuy
nhiên còn rất nhiều bài tốn mở vẫn cịn phải đối mặt, đặc biệt trong lĩnh
vực điều khiển và dẫn đƣờng hệ thống UAV [29],[47],[62]. Hơn nữa, sự
gia tăng của các UAV cỡ nhỏ (MAVs) mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên
cứu liên quan đặc biệt đến thiết kế và phát triển các hệ thống này do chúng
giới hạn về kích thƣớc, trọng lƣợng và công suất của những chiếc UAV cỡ
nhỏ [14].

3

Hiện nay, nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển cho thiết bị bay
thƣờng tập trung vào nghiên cứu các vấn đề về điều khiển máy bay không
ngƣời lái (UAV) nhƣ máy bay trực thăng, hex-rotor, quadrotor và tri-rotor vì
các ứng dụng đa dạng của chúng, đặc biệt lĩnh vực quân sự nhằm nâng cao
khả năng bay và độ ổn định bay khi thực hiện các nhiệm vụ bay khác nhau
khi tính đến những yếu tố phi tuyến của mơ hình cũng nhƣ tác động nhiễu
[26],[38]. Bên cạnh đó, những yếu tố khác cũng cần phải tìm ra những giải
pháp để vƣợt qua một số những bài toán phải đối mặt nhƣ kinh phí, năng
lƣợng, khả năng mang tải [46].
Nhƣ phân tích trên, UAV có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên nhóm UAV
lên xuống thẳng đứng có sự phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cả các
ứng dụng qn sự và ứng dụng dân sự. Chính vì lý do này, trong luận án này
lựa chọn mơ hình UAV dạng tri-rotor để nghiên cứu với những lý do sau:
1. Lý do năng lượng: Giảm số động cơ cánh quạt (còn 03 động cơ) điều
này sẽ tiết kiệm năng lƣợng [16],[61],[66];
2. Định hướng của UAV: So sánh cấu trúc tri-rotor với cấu trúc
quadrotor, sự định hƣớng của quadrotor nhanh chóng biến mất ở khoảng cách
lớn do cấu trúc của nó là đối xứng. So với quadrotor, định hƣớng ba cánh là
rõ ràng tốt hơn ở khoảng cách xa hơn;
3. Động lực học bay: Ƣu điểm chính của tri-rotor là nó có động lực bay
nhƣ máy bay cánh cố định trong khi bay, trong khi một quadrotor hoạt động
giống nhƣ một máy bay rotor đơn. Cấu trúc của tri-rotor cho phép cánh quạt
chuyển đổi góc nghiêng để đạt đƣợc sự ổn định trong không gian của UAV,
khả năng bay lƣợn, bay thẳng cơ động hơn và còn cất cánh thẳng đứng [67];
4. Khả năng điều khiển góc xoay (yaw): Điều khiển góc yaw đƣợc sử
dụng cho phép quay UAV xung quanh trục thẳng đứng. Góc nghiêng cho
phép UAV thực hiện các phép quay nhanh hơn theo một tham chiếu cụ thể.

4

So sánh với tri-rotor, việc điều khiển góc yaw của quad-rotor đƣợc thực hiện
bởi sự thay đổi mô-men xoắn bằng cách sử dụng tất cả bốn động cơ. Tri-rotor
chỉ cần thay đổi tốc độ của một trong bất kỳ động cơ sẽ làm cho UAV quay.
Trong việc thay đổi cánh lái của các tri-rotor là một trong những ƣu điểm nữa
nhằm nâng cao khả năng cơ động cũng nhƣ thay đổi góc yaw bằng cách quay
các động cơ của UAV xung quanh trục của UAV. Xoay UAV bằng cách sử
dụng các lực này thay vì vectơ mơ-men xoắn địi hỏi nhiều cánh quạt hơn để
có thể đáp ứng cho các ứng dụng lực trên trục thẳng đứng. Điều này có nghĩa
là các cánh quạt hoạt động ở công suất cực đại và cánh quạt phía sau vẫn có
thể quay UAV. Nếu duy trì định hƣớng ngay cả trong mơi trƣờng gió, trirotror sẽ rất hiệu quả và dễ điều khiển hơn nhờ điều chỉnh cánh quạt phía sau
chống lại lực của gió và quay cánh lái UAV giúp cho UAV có thể hoạt động
dễ dàng trong các mơi trƣờng này, trong khi động cơ quadrotor có cùng kích
thƣớc sẽ khơng bay tốt trong trƣờng hợp nêu trên [32],[47],[56],[58].
Ngoài những lý do trên, mơ hình động lực học của tri-rotor có độ phức
tạp, liên kết ràng buộc giữa các kênh nhiều hơn so với mơ hình động lực học
quadrotor vì kết cấu của tri-rotor. Chính vì vậy cần nghiên cứu hồn thiện
những thuật tốn điều khiển cho lớp UAV với mơ hình phi tuyến mạnh này
với hai mục đích, thứ nhất là tạo ra những bộ điều khiển tri-rotor bay ổn định
trong các chế độ khác nhau; thứ hai là nghiên cứu phát triển thêm về mặt lý
thuyết cũng nhƣ thực nghiệm những thuật tốn điều khiển phi tuyến cho lớp
mơ hình động lực học phi tuyến này.
Mặc dù đã có nhiều cơng trình nghiên cứu khác nhau trong và ngồi
nƣớc về điều khiển, ổn định, cất cánh và hạ cánh tri-rotor với các bộ điều
khiển nhƣ PID, LQR, điều khiển trƣợt (SMC), điều khiển Backstepping, thuật
tốn điều khiển thích nghi, thuật toán điều khiển tối ƣu, thuật toán điều khiển
bền vững, điều khiển thơng minh,… Nhƣng với mơ hình phi tuyến mạnh của

5

tri-rotor vẫn cịn nhiều bài tốn mở cần tiếp tục giải quyết nhằm đạt đƣợc
những chất lƣợng điều khiển tốt hơn và ổn định hơn, do đó NCS lựa chọn đề
tài luận án của mình với đề tài: “Xây dựng thuật toán ổn định và điều khiển
UAV dạng tri-rotor khối lượng nhỏ”. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ
tập trung giải quyết tổng hợp bộ điều khiển cho tri-rotor với các tiếp cận mơ
hình phi tuyến từ đơn giản đến mơ hình đầy đủ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mơ tả đầy đủ tri-rotor và phân tích
đánh giá độ phức tạp của mơ hình; Tổng hợp các bộ điều khiển tri-rotor khác
nhau khi tính đến mức độ phức tạp của mơ hình từ đơn giản hóa đến mơ hình
đầy đủ, từ đó có thể đƣa ra phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển và áp dụng
cho một lớp đối tƣợng có mơ hình tốn tƣơng tự;
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu của luân án là loại tri-rotor với cấu trúc các cánh
quạt đƣợc bố trí lệch nhau 120 độ và các động cơ cánh quạt là động cơ điện
một chiều khơng cổ góp (BLDC).
b) Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu, phân tích mơ hình tốn, từ đó tổng hợp bộ điều khiển và
ổn định tri-rotor có tính đến yếu tố mơi trƣờng có nhiễu.
4. Nội dung nghiên cứu
Luận án đã thực hiện những nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây:
- Phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến
đề tài luận án đã đƣợc cơng bố ở trong và ngồi nƣớc, tập trung vào hai nội
dung nghiên cứu chính là các thuật tốn điều khiển và ổn định tri-rotor có tính
đến mơi trƣờng có nhiễu. Từ những phân tích trên, đƣa ra những vấn đề cần

phải nghiên cứu để luận án sẽ tập trung nghiên cứu, giải quyết.


6

- Xây dựng mơ hình động học và động lực học tri-rotor sử dụng các
phƣơng pháp cơ bản. Phân tích đánh giá mơ hình và sử dụng các kỹ thuật và
giả thiết để đơn giản hóa mơ hình hoặc đƣa về dạng thuận tiện cho việc tổng
hợp bộ điều khiển.
- Sử dụng kết hợp các lý thuyết hiện đại để thực hiện tổng hợp luật điều
khiển cho tri-rotor, tập trung vào bài toán tổng hợp bộ điều khiển và ổn định
tƣ thế tri-rotor.
- Tiến hành xây dựng mơ hình mơ phỏng tri-rotor sử dụng phần mềm
Matlab-Simulink ở những chế độ bay khác nhau.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập, phân tích, tổng hợp các tài liệu, các kết quả nghiên cứu đã
cơng bố trong và ngồi nƣớc liên quan đến luận án.
- Nghiên cứu lý thuyết: Vận dụng các định luật cơ bản, xây dựng mơ hình
động lực học đầy đủ của tri-rotor; Vận dụng công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại
để tổng hợp bộ điều khiển cho tri-rotor.
- Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mơ
phỏng kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình tốn cũng nhƣ thuật toán điều
khiển.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Nội dung nghiên cứu của luận án đề xuất phƣơng
pháp tiếp cận giải quyết bài toán điều khiển và ổn định tri-rotor có tính đến
điều kiện mơi trƣờng có nhiễu. Bài tốn điều khiển và ổn định tri-rotor là một
bài tốn khó, mơ hình động lực học có liên kết ràng buộc giữa các kênh, các
tham số và có tính phi tuyến cao. Chính vì vậy các kết quả nghiên cứu trong
luận án có ý nghĩa khoa học trong việc giải quyết bài toán điều khiển và ổn

định cho một lớp đối tƣợng UAV ba cánh có mơ hình phi tuyến phức tạp.
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả trình bày trong luận án có ý nghĩa quan


7

trọng trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết cũng nhƣ kiểm chứng độ tin cậy của
các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển và ổn định tri-rotor. Từ các kết quả
mơ phỏng và các phân tích, đánh giá, ta có thể tiến tới cài đặt cho các mơ hình
thực nghiệm trƣớc khi tiến tới áp dụng trong chế tạo tri-rotor thật.
7. Bố cục luận án
Luận án đƣợc trình bày có cấu trúc nhƣ sau:
Mở đầu: Đặt bài tốn nghiên cứu, tính cấp thiết của bài tốn, mục đích,
đối tƣợng, phƣơng pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu đƣợc trình bày, từ
đó định hƣớng nội dung nghiên cứu của luận án.
Chƣơng I: Tổng quan về điều khiển tri-rotor .
Chƣơng II: Xây dựng mơ hình điều khiển chuyển động cho UAV dạng trirotor.
Chƣơng III: Xây dựng thuật toán điều khiển tri-rotor một cánh nghiêng
Chƣơng IV: Xây dựng thuật toán điều khiển tri-rotor với mơ hình đầy
đủ.


8

Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR
1.1. Khát quát về tri-rotor
Phƣơng tiện bay không ngƣời lái tri-rotor là thiết bị bay thuộc kiểu máy
bay lên thẳng. Cấu trúc của tri-rotor đƣợc minh họa trên Hình 1.1, trong đó
hình 1.1a là hình ảnh tri-rotor thực tế, cịn hình 1.1b [35] là mơ hình hình học

mơ tả tri-rotor đƣợc nhìn từ trên xuống.
Nhƣ đã trình bày trong phần mở đầu, tri-rotor mà luận án tập trung
nghiên cứu có cấu trúc có 3 cánh tay có chiều dài giống hệt nhau đƣợc đặt
lệch nhau 120o và cuối mỗi cánh tay có gắn cơ cấu tạo ra lực và mô men. Tất
cả 3 cơ cấu tạo ra lực giống hệt nhau và mỗi một cơ cấu bao gồm một cánh
quạt và đƣợc dẫn động bởi một động cơ một chiều khơng cổ góp (BLDC) để
tạo ra lực đẩy.

a) Mơ hình UAV tri-rotor thật

b) Mơ hình hình học tri-rotor

Hình 1.1. Mơ hình tri-rotor
Ba động cơ có thể đƣợc cấp nguồn từ một nguồn pin hoặc từ những pin
riêng rẽ đƣợc đặt ở tâm của tri-rotor. Chiều quay của các động cơ đƣợc qui
định nhƣ hình 1.1b, trong đó 2 động cơ cánh quạt phía trƣớc có chiều quay