Thiết kế bộ điều khiển thông minh cho máy bay không người lái với tải trọng bên ngoài

Bài viết trình bày mô hình toán học của máy bay không người lái (UAV) và đề xuất thiết kế của bộ điều khiển mờ lai tự chỉnh cho máy bay không người lái với tải trọng bên ngoài, bộ điều khiển đề xuất mang lại một số ưu điểm nổi trội so với một số bộ điều khiển thông thường, đặc biệt trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến và độ không ổn định của các tham số được điều khiển.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY THI T K B I U KHI N THỌNG MINH CHO MÁY BAY KHỌNG NG I LÁI V I T I TR NG BểN NGOÀI INTELLIGENT CONTROLLER DESIGN FOR UAV STABILIZATION WITH EXTERNAL PAYLOAD KH C TI P Khoa i n - i n t , Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam *Email liên h : dokhactiep@vimaru.edu.vn Tóm t t Bài báo trình bày mơ hình tốn h c c a máy bay không ng i lái (UAV) đ xu t thi t k c a b u n m lai t ch nh cho máy bay không ng i lái v i t i tr ng bên ngoài, b u n đ xu t mang l i m t s u m n i tr i so v i m t s b u n thông th ng, đ c bi t vi c x lý h th ng phi n đ không n đ nh c a tham s đ c u n Các k t qu thu đ c qua th c nghi m b ng cách áp d ng b u n đ c đ xu t th nghi m u n th i gian th c Matlab v i máy bay không ng i lái AR drone 2.0 v i t i tr ng bên K t qu thu đ c ch ng minh đ c hi u qu c a b u n thông minh đ c đ xu t, b u n đ xu t có th c i thi n đ n đ nh xác c a toàn b h th ng làm vi c v i t i tr ng bên K t qu th c nghi m c a b u n đ c đ xu t đ c so sánh v i k t qu c a b u n truy n th ng PID T khóa: i u n m , u n PID, Matlab/ Simulink; i u n th i gian th c, AR.Drone 2.0 Abstract The paper presents the mathematical model of a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) and the design of robust Self-Tuning PID controller based on fuzzy logic, which o ers several advantages over certain types of conventional control methods, specifcally in dealing with highly nonlinear systems and parameter uncertainty Te results of the numerical simulation using gazebo physics engine simulator and real-time experiment using AR drone 2.0 test bed demonstrate the e ectiveness of this intelligent control strategy which can improve the robustness of the whole system and achieve accurate trajectory tracking control, comparing it with the conventional proportional integral derivative (PID) Keywords: Fuzzy control, PID controller, Matlab/Simulink, Realtime control, AR Drone 36 Gi i thi u Vi c s d ng UAV v i s thay đ i tr ng t i đư đóng m t vai trị quan tr ng vi c v n chuy n c a thi t b bay Vi c ki m soát thi t b bay không ng i lái (UAV) tr nên khó kh n h n liên quan đ n s thay đ i tr ng t i theo th i gian V i s ph bi n ngày t ng c a UAV t hành l nh v c quân s dân s nh giám sát, giám sát th m h a, nhi m v c u h giao hàng [1], vi c mang v n chuy n tr ng t i bên u c n thi t đ hồn thành nhi m v thành cơng, an tồn UAV có th x lý th c hi n nh ng nhi m v nh d gói hàng ho c gi m t i tr ng mà không h cánh, c n m t b u n m nh ph i đ thông minh đ gi cho UAV n đ nh tr ng h p khác B u n thông minh ph i t thích ng m t kho ng th i gian ng n v i nh ng thay đ i đ t ng t v t i tr ng đ có th giúp cho UAV ho t đ ng n đ nh th c hi n đánh giá hi u qu c a b u n thông minh đ xu t tác gi ti n hành th nghi m thi t b bay AR.Drone, m t thi t b bay giá r , giao di n l p trình ng d ng m tính n ng đ c u n thơng qua Wi-Fi Bài báo c ng trình bày mơ hình tốn h c c a AR.Drone b u n đ c xây d ng Matlab/Simulink K t qu ho t đ ng c a b u n thông minh đ c đ xu t ho t đ ng c a b u n PID truy n th ng áp d ng cho tr ng h p UAV ho t đ ng v i s thay đ i t i tr ng đ c so sánh v i Gi i thi u thi t b bay b n cánh AR.Drone 2.1 Gi i thi u v AR.Drone Thi t b bay b n cánh AR.Drone đ c s n xu t b i nhà s n xu t Parrot, m t thi t b bay có giá thành r Giao di n l p trình ng d ng m , tính n ng đ c u n qua Wi-Fi v i ph n m m mư ngu n m cho phép ng i dùng có th áp d ng nh ng thu t toán khác vào thi t b , nh ng lý mà tác gi đư l a ch n thi t b đ s d ng nghiên c u c a S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CÔNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (a) (b) Hình Hình nh th c t AR.Drone 2.0: (a)AR.Drone v i b thân nhà; (b)- AR.Drone v i b thân tr i AR.Drone thi t b bay b n cánh có tr ng l ng 380g v i b thân nhà (Hình 1(a)) n ng 420g v i b thân ho t đ ng tr i (Hình 1(b)) AR.Drone 2.0 đ c c p ngu n b i pin Li-Po 11.1V, 1500mAh c trang b đ ng c BLDC t i b n cánh c a thi t b v i công su t c a m i đ ng c BLDC 14,5W t c đ quay 28.500 vòng/phút B u n trung tâm c a AR.Drone 2.0 ch a b x lý ARM Cortex-A8 1GHz 32 bit b x lý tín hi u k thu t s TMS320DMC64X 800MHz v i h tr video H th ng c ng có b nh RAM DDR2 GB 200MHz B u n trung tâm ch a mô-đun đ giao ti p v i thi t b ngo i vi Các mô-đun đ c bi t bao g m giao th c truy n thông không dây IEEE 802.11 cho phép giao ti p TCP/IP Giao th c s d ng t n s 2,4GHz v i m ng không dây đ c s d ng r ng rưi ngày Giao ti p gi a thi t b bay b u n t xa thông qua k t n i Wi-Fi ph m vi ph sóng 100m 2.2 Mơ hình đ ng l c h c c a AR.Drone c a máy bay c ng Th hai, l c c n khí đ ng h c c a thân máy bay khơng đáng k máy bay không ng i lái b h n ch bay t c đ th p Ti p theo, nh h ng c a mômen h i chuy n c a rôto quay c ng không đáng k theo gi thi t r ng thi t b bay bay ch m Chúng ta c ng gi đ nh r ng khơng có hi u ng m t đ t đáng k tác đ ng lên thi t b bay bay đ cao so v i m t đ t Cu i cùng, gi s r ng h th ng đ i x ng qua tr c ngang tr c d c c a h tr c t a đ {oxyz} [2,3] Theo đó, ph ng trình vi phân mơ t mơ hình đ ng h c c a AR.Drone [2] có th đ c mơ t công th c (1) (2) nh sau:  x   kF i (cos sin  + cos  sin .sin )      m  y =  kF i2 (sin sin  − cos cos  sin  )     z   kF i2 (cos .cos  ) − mg  Trong m: Là tr ng l (1) ng c a thi t b bay [kg]; T x , y , z vi phân c a v trí (x,y,z);  , ,  biên đ c a thi t b bay [m], kF h ng s đ c tr ng cho đ ng c ; i v n t c góc [rad/s] g gia t c tr ng tr ng [m/s2] Ngồi ra, mơ hình đ ng l c h c c a AR.Drone c ng có th đ c mô t : 2   I xx p  l.kF (2 − 4 )     2   I yy q  = l.kF (3 − 1 )  I r   k ( −  +  −  )   zz   M  (2) Trong đó: Ixx, Iyy, Izz bi u th momen quán tính h tr c {oxyz}; 1, 2, 3, l n l t v n t c góc c a đ ng c 1, 2, 3, ; kM bi u th h ng s mômen l bi u th kho ng cách t đ ng c đ n tâm c a AR.Drone Thi t k b u n th c hi n u n th i gian th c cho AR.Drone s d ng b u n m lai 3.1 i u n AR.Drone theo th i gian th c thông qua k t n i Wifi Hình Các góc h tr c UAV mơ t mơ hình đ ng l c h c c a thi t b bay không ng i lái s d ng ph ng trình Newton-Euler [4, 5] Và qui c h t a đ {oxyz} h tr c t a đ đ c g n thi t b bay h t a đ {OXYZ} h tr c t a đ trái đ t có th mơ t đ c, ta có m t s gi đ nh c n đ c th a mưn nh sau u tiên gi đ nh r ng thân cánh S 70 (04-2022) Mơ hình AR.Drone đ c xây d ng Matlab/Simulink đ thu th p d li u t thi t b bay v máy tính truy n l nh u n t máy tính đ n thi t b bay Giao di n u n AR.Drone đ c xây d ng Matlab/Simulink đ u n qua Wi-Fi đ c phát tri n cho phép th c hi n nhanh l nh u n t máy tính, ki m sốt giám sát thông s c a h th ng Giao ti p gi a máy tính v i AR.Drone đ c thi t l p thông qua giao th c UDP, u đ c th c hi n 37 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH b ng cách s d ng kh i UDP Simulink Khi trình truy n thơng đ c thi t l p, tín hi u u n t máy tính s đ c truy n đ n máy bay ng c l i Vi c trao đ i d li u gi a máy bay mơ hình Matlab/Simulink máy tính đ c th c hi n t n s 16 Hz D li u mà Matlab nh n đ c s đ c đ c ghi l i Do đó, máy bay đ c u n tr c ti p không dây thông qua mơ hình máy tính đ c xây d ng Simulink s d ng công c RealTime Windows Target K t n i không dây đ c thi t l p theo cách cho phép vi c u n ki m soát máy bay đ c th c hi n nhanh chóng ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY d ng cho tr c chuy n đ ng theo chi u kim đ ng h , giá tr âm cho tr c chuy n đ ng ng c chi u kim đ ng h ) D li u t AR.Drone g i v máy tính bao g m đ cao th c t , góc Roll, Pitch, Yaw th i gian đáp T nh ng d li u này, ta có th c tính đ c v trí x, y, z c a máy bay Hình cho th y đ u vào đ u c a h th ng AR.Drone Ch ng trình u n th i gian th c cho AR.Drone đ c xây d ng Matlab/Simulink đ c miêu t Hình Ch ng trình u n th i gian th c cho AR.Drone bao g m kh i ch c n ng: Kh i 1: Nh p d li u, d li u đ c nh p t ng i u n cho phép ng i u n th c hi n thay đ i tr ng thái c a máy bay nh : c t cánh (takeoff) h cánh (landing) b ng cách thay đ i v trí c a cơng t c l a ch n máy tính Hình S đ c u trúc h th ng i u n AR.Drone thông qua k t n i Wifi Kh i 2: c l ng đ cao, th c hi n ch c n ng đ c d li u đ c g i v t c m bi n c a AR.Drone Kh i Navigation System th c hi n x lý d li u t IMU (Inertial measurement unit) thô đ truy xu t d li u góc quay (roll, pitch, yaw) d li u t c m bi n siêu âm Kh i 3: Kh i u n bay, th c hi n ch c n ng u n máy bay nh c t h cánh, u n đ cao; th c hi n u n đ ng c Hình Các d li u vào - c a AR.Drone AR.Drone có th đ c u n b ng cách s d ng tín hi u u n (có giá tr t -1 đ n 1): Pitch (góc quay quanh tr c Y) (giá tr d ng cho chi u bay lên, giá tr âm cho chi u h th p), Roll (góc quanh quanh tr c X) (giá tr d ng quay sang ph i, giá tr âm quay sang trái), Yaw (góc quanh quanh tr c Z) (giá tr Hình Ch 38 Kh i 4: Kh i đ ng c , th c hi n l nh đ c g i t i t kh i u n Kh i đ ng c đ a tín hi u PWM (0% - 100%) đ u n t ng đ ng c t ng cánh 3.2 Thi t k b u n m lai t ch nh B u n PID truy n th ng đ c ng d ng u n UAV th ng ho t đ ng v i r t nhi u h n ch , ba tham s c a PID đ c u ch nh v i giá tr c đ nh cho m t u ki n ho t đ ng c th nh ng trình u n th i gian th c cho AR.Drone xây d ng Simulink S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CÔNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY có t i tr ng khơng đ i ho c khơng có t i tr ng Do đó, UAV làm vi c v i t i tr ng bên theo th i gian b u n PID truy n th ng không th đáp ng đ c gi i quy t v n đ này, m t c ch t u ch nh d a logic m đ c phát tri n có kh n ng u ch nh tr c n tham s c a b u n PID Hình Th nghi m u n th i gian th c qua Wifi v i AR.Drone t ch ng trình Matlab/Simulink máy tính (6) V i giá tr c a [ ] [ ; ]đ nghi m [8] ; ], [ ; c xác đ nh b ng th c B u n m đ c s d ng nghiên c u d a quy t c m Tagaki- Sugeno Quy t c n hình quy t c m Sugeno có d ng: If Input = x and Input = y, then Output is z = ax + by + c B u n m lai đ c thi t k g m bi n đ u vào: NB(negative big), NS(negative small), Z(zero), PS(positive small), PB(positive big) bi n đ u ra: VS(very small), S(small), MS(medium small), M(medium), MB(medium big), B(big), VB(very big) D a kinh nghi m, 25 quy t c m đ c xác đ nh cho t t c k t h p có th có c a bi n đ u vào B m t không gian ba chi u c a quy t c m đư ch n cho thi t k b u n đ c th hi n Hình B u n m đ c t o t quy t c "n u-thì" Các quy t c đ c ch n cho lu t u n đ c trình bày B ng Hình S đ c u trúc c a b u n m lai t ch nh cho AR.Drone B u n PID có hàm truy n d ng: (3) V i KP, KI, KD h s c a b u n PID; s toán t laplace B u n m (FLC) th c hi n u ch nh tr c n h s c a b u n PID [6,7] B u n m lai v i đ u vào vi phân c a sai s ‘de’ sai s ‘e’ c a góc quay, q trình đ c s d ng đ xác đ nh thông s c a b u n Phép bi n đ i n tính đ c s d ng cho phép xác đ nh tham s KP, KI,KD c a b u n PID theo cơng th c: (4) (5) Hình B m t c a đ u cho KP/ KI / KD K t qu th c nghi m Th c nghi m u n AR.Drone v i th i gian th c đ c th c hi n nhà đ tránh tác đ ng c a y u t mơi tr ng Trong q trình th c nghi m, AR.Drone s đ c g n v t n ng có kh i l ng 50g vào cánh b t kì c a máy bay máy bay đ c g n c đ nh vào kh p xoay đ t khung có chi u cao 0,5m B ng B ng quy t c m cho KP/ KI / KD e/de S NB NS Z PS PB NB VB/M/VS MB/M/MB MB/M/M MB/M/B MB/M/MB NS MB/MS/ MS MB/MS/MB MB/MS/B B/MS/MB MB/MS/MB Z VS/S/M VS/S/B S/VS/B MS/S/MB MS/S/MB PS MB/MS/MB MB/MS/MB MB/MS/MB B/MS/MB MB/MS/MB PB MB/M/MB MB/M/MB MB/M/MB MB/M/MB MB/M/MB 70 (04-2022) 39 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH Hình Ho t đ ng c a AR.Drone v i b u n PID ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 10 Ho t đ ng c a AR.Drone v i b u n Fuzzy - PID Hình 11 Sai l nh biên đ c a máy bay v i b u n PID Hình 12 Sai l nh biên đ c a máy bay v i b u n Fuzzy - PID Hình 13 áp ng góc Euler c a AR.Drone v i b u n Fuzzy - PID Hình 14 áp ng góc Euler c a AR.Drone v i b u n PID ch ng minh đ c hi u qu ho t đ ng c a b u n m lai đ c thi t k , tác gi đư áp d ng b u n: PID b u n Fuzzy - PID lên AR.Drone nh m m c đích ki m tra tính n đ nh c a AR.Drone v i t i tr ng bên su t trình bay Các k t qu áp d ng c b u n s đ c so sánh v i PID 7,452mm sai s biên đ c a AR.Drone s d ng b u n PID 86,09mm T Hình Hình 10 cho th y trình ho t đ ng AR.Drone v i t i bên ngồi đ c thêm vào, có th th y, v i b u n Fuzzy - PID có đ n đ nh t t h n so v i b u n PID K t lu n T Hình 11 Hình 12 bi u di n sai s v biên đ c a máy bay không ng i lái s d ng b u n Fuzzy - PD b u n PID Quá u ch nh c a máy bay v i b u n Fuzzy - PID nh h n so v i b u n PID Xét t i th i m giây, sai s biên đ c a AR.Drone s d ng b u n Fuzzy - 40 Hình 13 Hình 14 bi u di n đáp ng góc c a AR.Drone theo th i gian, t hình v có th nh n th y đáp ng góc Euler c a máy bay v i b u n Fuzzy - PID n đ nh h n nhi u so v i đáp ng góc Euler c a máy bay v i b u n PID Bài báo đư gi i thi u mơ hình đ ng h c c a máy bay AR.Drone, cách th c th c hi n u n th i gian th c b ng công c Real-time Target Window Simulink Bài báo c ng trình bày v thi t k b u n m lai t ch nh cho AR.Drone v i t i tr ng bên K t qu ch ng minh hi u qu ho t đ ng c a b u n đ c đ xu t, đ n đ nh th i gian đáp ng S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY c a b u n Fuzzy - PID t t h n so v i b u n PID c n Mơ hình c a AR.Drone đ c xây d ng Matlab/Simulink v i ng d ng u n th i gian th c đư đ c th c hi n thành công ho t đ ng t t Các k t qu thu đ c qua th c nghi m b ng cách áp d ng b u n đ c đ xu t th nghi m u n th i gian th c Matlab v i máy bay không ng i lái AR drone 2.0 v i t i tr ng bên K t qu thu đ c ch ng minh đ c hi u qu c a b u n thông minh đ c đ xu t, b u n đ xu t có th c i thi n đ n đ nh xác c a tồn b h th ng làm vi c v i t i tr ng bên Vi c áp d ng c b u n PID c n b u n Fuzzy-PD cho ho t đ ng c a AR.Drone v i t i tr ng bên đ thu n ti n cho trình so sánh ho t đ ng c a b u n Các k t qu th c nghi m đ c th hi n ph n đư ch ng minh u m c a b u n m lai đ c thi t k đáp ng đ c yêu c u v đ xác đ n đ nh c a AR.Drone v i t i tr ng bên ngồi Do đó, b u n m lai r t phù h p v i h th ng phi n nh máy bay không ng i lái L ic m n Nghiên c u đ c tài tr b i Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam đ tài mư s : DT 21-22.48 TÀI LI U THAM KH O [1] J M Maddalon, K J Hayhurst, D M Koppen, J M Upchurch,and A T Morris, Perspectives on unmanned aircraf classifcation for civil airworthiness standards National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center Hampton,Virginia, pp.2199-23681, 2013 KHOA H C - CÔNG NGH [3] Hernandez A, Copot C, De Keyser R, Identification and path following control of an AR.Drone quadrotor 17th international conference system theory control computer (ICSTCC), pp.583-588, 2013 [4] Angela P Schoellig, Improving Tracking Performance by Learning from Past Data, Institute for Dynamic Systems and Control ETH Zurich Switzerland, 2012 [5] Zhufeng Xie, Yuanqing Xia, Mengyin Fu, Robust trajectory-tracking method for UAV using nonlinear dynamic inversion IEEE 5th International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems, pp.93-98, 2011 [6] Zhao, Z., Tomizuka, M., and Isaka, Fuzzy gain scheduling of PID controllers IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol.23(5), pp.1392-1398, 1993 [7] T Takagi and M Sugeno, Fuzzy Identification of Systems and Its Applications to Modeling and Control, IEEE Trans on Systems, Man, and Cybernetics, Vol.15(1), pp.116-132, JanuaryFebruary, 1985 [8] Do Khac Tiep, Young-Jae Ryoo, An Autonomous Control of Fuzzy-PD Controller for Quadcopter, International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol.17, No.2, pp.107-113, 2017 Ngày nh n bài: Ngày nh n b n s a: Ngày t đ ng: 18/01/2022 21/02/2022 06/03/2022 [2] G Martin, Modelling and Control of the Parrot AR.Drone ADFA Journal of Undergraduate Engineering Research, Vol.5(1), 2012 S 70 (04-2022) 41 ... AR.Drone c a máy bay c ng Th hai, l c c n khí đ ng h c c a thân máy bay khơng đáng k máy bay khơng ng i lái b h n ch bay t c đ th p Ti p theo, nh h ng c a mômen h i chuy n c a rôto quay c ng không đáng... t th nghi m u n th i gian th c Matlab v i máy bay không ng i lái AR drone 2.0 v i t i tr ng bên K t qu thu đ c ch ng minh đ c hi u qu c a b u n thông minh đ c đ xu t, b u n đ xu t có th c i thi... t máy tính s đ c truy n đ n máy bay ng c l i Vi c trao đ i d li u gi a máy bay mơ hình Matlab/Simulink máy tính đ c th c hi n t n s 16 Hz D li u mà Matlab nh n đ c s đ c đ c ghi l i Do đó, máy