(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 ………….………………………………………………..……….……………………
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ………..…………………
DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………..……………………………………………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………..………….……………………
MỞ ĐẦU ………………………………………….…………………………..…………………….
Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR ……..………...….
1.1.

Khát quát về tri-rotor ………………

1.1.1.

Nguyên lý điều khiển chuyển độ

1.1.2.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

1.2.

Tình hình nghiên cứu các thuật t

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nƣớ

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớ

1.2.3.

Nhận xét …….….………………….………

1.3.

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận á
………………………………………..……

1.4.

Kết luận Chƣơng I ……………….…

Chƣơng II. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
CHO UAV DẠNG TRI-ROTOR ……………...….……...…………………….…….……
2.1.
2.2.

Các hệ tọa độ và tham số đặc trƣ
rotor ………………….………………….……
Các đầu vào và đầu ra của mô h

2.3.

Các lực và các momen tác động

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


iv

2.3.2. Các momen xoắn ………………………………….……………………….…………
2.4.Mơ hình động học ………..………………………...….….……………….…………
2.4.1. Đối với chuyển động tịnh tiến ………………………………….….……………
2.4.2. Đối với chuyển động quay ……………………..…………….….……………….
2.5.Xây dựng mơ hình điều khiển chuyển động cho tri-rotor …………...
2.6.Kết luận Chƣơng II ……………………….……….…...………………….………
Chƣơng III. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR MỘT CÁNH
NGHIÊNG ……………..…………...................……………………………….…….…….………
3.1.

Các giả thiết ……..…………………………………

3.2.

Phân tích mơ hình động lực học tri-rot

3.3.

Tổng hợp các vịng điều khiển cho tri-

3.3.1.

Tổng hợp các bộ điều khiển các kênh r

3.3.2.

Tổng hợp các bộ điều khiển tốc độ dài

3.3.3.

Tổng hợp bộ điều khiển vị trí các kênh

3.4.

Mơ phỏng cho một số chế độ bay đặc t

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

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 thông số của bộ điều khiển C3 …….……….………………
3.4.4. Kết quả mô phỏng một số chế độ bay đặc thù ….…….……..……………
3.5.

Xét sự ảnh hƣởng của gió ……………….…

3.6.

Kết luận Chƣơng III .…………………….……

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


v

4.2.
4.3.

Xây dựng thuật tốn điều khiển tri-rotor ứ
trƣợt
Mơ phỏng điều khiển tri-rotor ……………….…

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

4.3.2. Mô phỏng điều khiển tri rotor theo ứng dụng giải thuật

backstepping ……………………..….………….………
4.3.3. Mô phỏng điều khiển tri-rotor theo luật điều khiển trƣợt ……….…
4.4.

Kết luận Chƣơng IV …….……………..………..…

KẾT LUẬN ………….…………..…………………………..……..……….……….…………….
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ……….…
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………..…………………..……………………..…….


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

y:

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

z:

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



Gia tốc góc (pitch) của tri-rotor quanh trục
gắn với quadrotor [rad s


:

Gia tốc góc (roll) của tri-rotor quanh trục
gắn với quadrotor [rad s
Gia tốc góc (yaw) của tri-rotor quanh trục

i :
kt:
kf:
L:
Fg :

Fpi :

gắn với quadrotor [rad s
Góc nghiêng của động cơ servo thứ
i Hệ số lực cản [N.s2/rad2] Hệ số lực
đẩy [N.s2/rad2]
Khoảng cách từ tâm tri-rotor đến tâm của động cơ [m]
Trọng lực

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


vii

F 1:

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

F 2:

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

F 3:

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

fi

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

R



cơ Ma trận quay (roll-pitch-yaw)

b

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

e

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

b

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

Re

Rb
Rl

i

Mô men đẩy sinh ra bởi lực đẩy tạo ra từ cánh quạt thứ i

Tp
i

theo hƣớng trục động cơ
Mô men đẩy tổng sinh ra bởi tất cả các cánh quạt xung

Tp


Td
x:

y:

z:

:

quanh tâm khối lƣợng.


Mơ men cản vì sự quay của cánh quạt thứ i
Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s
Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s1
Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s
Tốc độ góc (roll) của tri-rotor quanh trục
gắn với tri-rotor [rad s1 ]


viii



x:

y:

z:

:

:

:


Tốc độ góc (yaw) của tri-rotor quanh trục
gắn với tri-rotor [rad s
Tốc độ góc (pitch) của tri-rotor quanh trục
gắn với tri-rotor [rad s
Tốc độ của các cánh quạt [rad . s
Tổng khối lƣợng UAV
Tổng lực nâng sinh ra bởi tất cả các động cơ
Tổng mô men cản từ 3 cánh quạt
Véc tơ vận tốc của UAV trong hệ tọa độ Đề các.
Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
Vị trí góc (pitch) của tri-rotor quanh trục
gắn với tri-rotor [rad ]
Vị trí góc (roll) của tri-rotor quanh trục
với tri-rotor [rad ]
Vị trí góc (yaw) của tri-rotor quanh trục
với tri-rotor [rad ]

ix

BĐK

Bộ
PD

Bộ

PID

Bộ

BLDC

Br

kh
DOF

De

DC

Di

FBL

Fe

FLC

Fu

GPS

Gl

CLF

Hà

IR

Inf

IMU

Ine

MCU

Mi

MIMO

Mu

RC

Re

RF

Ra

UAV

Un


x

Bảng 3.1

Các t

Bảng 4.1

Các t

Bảng 4.2

Các đ


xi

Hình 1.1

Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10. Sơ đồ mơ phỏng các bộ điều khiển các kênh X, Y, Z
Hình 3.11.
Hình 3.12.
Hình 3.13.


xii

Hình 3.14.
Hình 3.15.

Trang

Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2

65

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp
3 Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3

66

Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp
4 Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4

68

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

71

Sơ đồ mơ phỏng khối M1 xét đến ảnh hƣởng của gió
Hình 3.22.
Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 1
Hình 3.23. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 1 khi có gió

71

Hình 3.16.
Hình 3.17.

Hình 3.18.
Hình 3.19.
Hình 3.20.
Hình 3.21.

Hình 3.24. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 2
Hình 3.25. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2 khi có gió
Hình 3.26. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 3
Hình 3.27. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3 khi có gió
Hình 3.28. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 4
Hình 4.1. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4 khi có gió
Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng điều khiển tri-rotor theo
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.
Hình 4.10.
Hình 4.11.
Hình 4.12.
Hình 4.13.

67
69

72
73

74
74
75
76
77
77
97

luật điều khiển Backstepping Tín hiệu điều khiển U1
98
Tín hiệu điều khiển U2

98

Tín hiệu điều khiển U3

98

Tín hiệu điều khiển U4

98

Tín hiệu điều khiển U5

98

Tín hiệu điều khiển U6

98

Sự thay đổi góc chúc góc

99

Sự thay đổi góc hƣớng

99

Sự thay đổi góc cren

99

Chuyển động tri-rotor theo trục x

99

Chuyển động tri-rotor theo trục y

99

Chuyển động tri-rotor theo trục z

99


xiii

Hình 4.14. Tri-rotor bám theo độ cao đặt
Hình 4.15. Sai số bám theo độ cao
Hình 4.16. Tri-rotor bám theo tọa độ x đặt

Hình 4.17. Sai số bám theo tọa độ x
Hình 4.18. Tri-rotor bám theo tọa độ y đặt
Hình 4.19. Sai số bám theo tọa độ y
Hình 4.20.
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
Hình 4.23. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
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
Hình 4.26. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
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
Hình 4.29. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
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
Hình 4.32. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
Hình 4.33.


xiv

Hình 4.34. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh
Hình 4.35. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
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
Hình 4.38. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh
Hình 4.39. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor khi tốc độ bay yêu cầu
Hình 4.40.
Hình 4.41. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số
Hình 4.42.

Hình 4.43. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor
Hình 4.44. Lệnh điều khiển tổng hợp của thành phần số 1 trong
Hình 4.45. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số
Hình 4.46.
Hình 4.47. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor
Hình 4.48. Tín hiệu điều khiển u6d
Hình 4.49. Tín hiệu điều khiển u6e
Hình 4.50. Tín hiệu điều khiển u6t
Hình 4.51.


xv

Hình 4.52. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục z
Hình 4.53. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục y
Hình 4.54. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục y
Hình 4.55. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục x
Hình 4.56. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục x
Hình 4.57. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor trong khơng
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 quân 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

công bố trong và ngoài 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 cơng cụ Matlab-Simulink để mơ

phỏng kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình tốn cũng nhƣ thuật tốn 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 toán điều khiển và ổn định tri-rotor là một
bài toán 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.