Thiết kế điều khiển thiết bị bay không người lái 4 cánh quạt (quadcopter) phun thuốc bảo vệ thực vật

6 4 0
Thiết kế điều khiển thiết bị bay không người lái 4 cánh quạt (quadcopter) phun thuốc bảo vệ thực vật

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

KHOA HỌC-KỸ THUẬT THIẾT KÊ ĐIÊU KHIỂN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CÁNH QUẠT (QUADCOPTER) PHUN THUỐC BẢO VỆ THựC VẬT • HỒNG ĐỨC QUỲNH TĨM TẮT: Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế điều khiển máy bay không người lái cánh quạt (Quadcopter) ứng dụng phun thuốc bảo vệ thực vật Mơ hình tuyến tính hóa hệ quadcopter xây dựng dựa kết cấu khí, động lực học, khí động học cấu trúc điều khiển hệ Quadcopter xây dựng ttên thành phần gồm: điều khiển vị trí, điều khiển độ nghiêng, phân phối điều khiển điều khiển động Các kết mô kiểm chứng Matlab-Simulink để kiểm chứng mơ hình tốn hệ điều khiển thiết kế Từ khóa: điều khiển, Quadcopter, máy bay phun thuốc bảo vệ thực vật Đặt vấh đề Theo nghiên cứu giới (2, 3, 4), hiết bị bay điều khiển từ xa sử dụng để Thục vụ nhu cầu quản lý, giám sát nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội Trong nông nghiệp, thiết bị bay chông người lái số nước ứng ỉụng nhằm phát huy lợi việc ghi hình, thu hập mẫu đất, nước từ cung cấp thơng tin :hính xác giúp cho việc quản lý mùa màng, sâu )ệnh lẫn bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiệu quả, giảm giá thành đầu vào Việc sử dụng thiết bị bay điều khiển từ xa giảm thiểu lượng thuốc trừ sâu phân bón, góp phần phát triển nơng r ghiệp thân thiện với mơi trường Chính vậy, t -ong thời gian gần đây, có nhiều cơng trình rghiên cứu tác giả giới nhằm thiết Ỉế làm chủ công nghệ chế tạo iều khiển thiết bị bay điều khiển từ xa (hay thiết bị ay khơng người lái) Mơ hình tốn hệ quadcopter Mơ hình vật lý hệ QuadCopter giới thiệu Hình 1: Hình 1: Mơ hình vật lý hệ QuadCopter Nguồn: Tác giả tổng hợp Các phương trình động học, động lực học mô tả chuyển động máy bay (1): SỐ5-Tháng 3/2022 339 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG K Cz p=V W.dỹ" —— = r " dt L OT.g z = víz m * (5) mơ hình tuyến tính cho độ nghiêng máy bay: = Te.^ 0=m ? Ý—=- (1) Q; 0 T* de dĩ Hình 2: Sơ đồ mõ mơ hình góc quay QuadCopter với đầu vào vector moment, f* đầu vector góc Mơ hệ máy bay QuadCopter: d£l ce (6) G dt Q Q RJ I Q- RJ Các mơ hình tuyến tính hóa: Các phương trình chuyển động tịnh tiến (1) viết lại dạng tường minh sau: p‘ = - — íc,„ c,+s.„ s,) p>-f^(\^crcv\'} x m (2) e * Khi hoạt động bình thường trạng thái cân bằng, góc pitch roll máy bay coi nhỏ, lực đẩy tổng cánh quạt xấp xỉ trọng lượng máy bay Do vậy, ta có: sin Q ~ ớ; cos « 1; sin (Ị)« ộ; cos ộ «Cf7~ mg Với xấp xỉ này, hệ (2) trở thành: Nguồn: Tác giả tổng hợp Hình 3: Sơ đồ mõ mơ hình vị trí QuadCopter A.V = -g(cve + \^ Pey=-gậv.ỡ-^.ộ) Hai phương trình theo phương X, y (3) viết lại sau: P/, = V, Vh = -g.A h y/ (4) Nguồn: Tác giả tổng hợp đó: p„=[x ;©>=!> ớJ;Ar s_ C -C s.„ V V' Viết lại phương trình theo phương z (3) sau: 340 SỐ5-Tháng 3/2022 Thiết kê'điều khiển Phần chủ yếu tập trung vào toán điều khiển điểm - điểm Bộ điều khiển có nhiệm vụ tính toán độ nghiêng lực đẩy mong muốn 0/, fTd cho triệt tiêu sai lệch vị trí: ẽp h KHOA HỌC - KỸ THUẬT Hệ điều khiển độ nghiêng thiết kế với cấu trúc mạch vòng: bên ngồi mạch vịng điều khiển vị trí góc, bên mạch vịng điều khiển tốc độ góc Trong vịng ngồi sử dụng điều khiển tỷ lệ p, bên dùng tỷ lệ - tích phân PI Tốc độ góc mong mn tính tốn bởi: 00 với: ^p,h=Vh.d-Vh Sử dụng điều khiển vị trí kênh ngang có dạng: _ — a;1 m a p ■ V M ~ s Ấ _ k-p y, -ep ) (8) (13) Trong sai lệch góc cho bơi: ẽe=0í/-ỗ (14) Viết lại động học mạch vòng tốc độ: (15) \bMh = ĩỊ Giả sử Tp(t) = rịd(t), moment đặt tính tốn sử dụng PI: rTTbảXt) = —KaP ẽCở, - KCũỉ í ẽ03 dt J ' (16) Trong đó: KmP; KmI ma trận hệ số tỷ lệ p hệ số tích phân I Điều khiển động Phương trình mơ tả chuyển động quay động cơ: Kết hợp (8) với mơ hình vị trí, với giả thiết ®h& = ®h,d& ta có: Ảr = Ị, Mơ hình động (17) xâp xỉ thành dạng tuyến tính với hàm truyền: (9) pw = Hay: Q, =-4^—K,; Ẩ: = L e„, +K„í,n-t, + K„Í,Í> Ã/, = ụ.hD ỊỊ,h p,/z V,hP P-h (10) v Trong đó: K p,hD; Kp,/íP ma trận đối xứng xác định dương hệ số điều khiển Kết hợp với (10) ta thấy sai lệch vị trí triệt tiêu í —> 00 Điều khiển vị trí kênh độ cao Lực đẩy mong muốn đầu điều khiển độ cao, chọn theo phương trình: _> = mg-m.(p , -knẻ -k„e I J T-d V z,d pzD pz pzP pz Ị (11) Vx / Kết hợp (11), (5) giả thiơt/7í/r> =fi(t) ta có phương trình vi phân mơ tả sai lệch: A = ~kpỉP£pỉ (17) (12) ẻ‘pz + 4pzD„4pz + k p£pz„, = pzP Trong đó: kpzD, kpZp số dương, ta hấy sai lệch độ cao triệt tiêu t ->co (18) r +1 m Từ mô hình hàm truyền này, điều khiển vịng kín thiết kế cho triệt tiêu sai lệch điều khiển: AQk = Qd k - ílk Tuy phần lớn điều khiển bay, hệ tốc độ hệ hở Việc không sử dụng điều khiển tốc độ làm cho cấu trúc điều khiển đơn giản, tin cậy hơn, giảm tải cho xử lý mà không ảnh hưởng nhiều tới chất lượng chung hệ thống Điện áp đưa tới động tính tốn từ mơ hình (18): Vk=^-.nkd;k=J, Mơ hệ điều khiển Từ điều khiển thiết kế được, với mơ hình máy bay, ta có sơ đồ mô hệ điều khiển cho máy bay sau SỐ - Tháng 3/2022 341 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Bảng Các thơng số điều khiển góc K© K^/ Kênh Roll 2 0,8 Kênh Pitch 2 0,8 Kênh Yaw 3 2,5 Nguồn: Tác giả tổng hợp Bảng Các thông số điều khiển vị trí Kp Kvp Ktf Krf> Phương X 0,5 0,05 0,2 Phương Y 0,5 0,05 0,2 Phương z 4 Nguồn: Tác giả tổng hợp Kết mơ Ta có kết mơ cho hệ máy bay sau: (Bảng 6,7, 8,9, 10) Nhận xét: kết mô cho thấy hệ điều khiển điều khiển QuadCopter theo thơng số: tốc độ góc, góc nghiêng, vận tốc, vị trí Kết luận Tác giả thiết kế chế tạo điều khiển máy bay không người lái cánh quạt (Quadcopter) ứng dụng phun thuốc bảo vệ thực vật Mơ hình tuyến tính hóa hệ quadcopter xây dựng dựa kết cấu khí, động lực học, khí động học Cấu trúc điều khiển hệ Quadcopter xây dựng Hình 6: Kết mơ mạch vịng tốc độ góc 0.41 T !— 39 -0.2 -a 41 - I - 1— 20 40 Time (s) 342 Số - Tháng 3/2022 Time (s) Time (s) KHOA HỌC -KỸ THUẬT Hình 7: Kết mơ mạch vịng góc nghiêng Time (s) Hình 8: Kết mơ mạch vịng vận tốc Hình 9: Kết mơ mạch vịng vị trí Time (s) Hình 10: Mơ vị trí máy bay mặt phẳng ngang Nguồn: Tác giả tổng hợp thành phần gồm: điều khiển vị trí, điều khiển độ nghiêng, phân phơi điều khiển điều khiển động Các kết mô kiểm chứng MatlabSimulink cho thấy điều khiển thiết kế điều khiển tốt thông số: tốc độ, góc nghiêng, vị trí vận tốc bay Quadcopter Định hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả nghiên cứu chế tạo thi công lắp đặt mơ hình thực Quadcopter thiết kế thi công lắp đặt để kiểm chứng kết nghiên cứu ứng dụng thực tế ■ SỐ - Tháng 3/2022 343 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuât Khoa học - Kỹ thuật L Salih, M Moghavvemi, H A F Mohamed, and K s Gaeid (2010) Flight PID controller design for a UAV quadrotor Scientific Research and Essays, vol 5, pp 3360-3367 Gonzalez, Ivan; Salazar, Sergio (2013) Real-time attitude stabilization of a mini-UAV quad-rotor using motor speed feedback Journal of intelligent & robotic systems Luis Rodolfo García Carrillo, Alejandro Enrique Dzul Lopez (2013) The quad-rotor experimental platform Quad Rotorcraft Control Sanchez, A; Garcia Carrillo, LR; Rondon (2011) Hovering flight improvement of a quad-rotor mini uav using brushless de motors Journal ofIntelligent and Robotic Systems Ngày nhận bài: 20/1/2021 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 21/2/2022 Ngày chấp nhận đăng bài: 19/3/2022 Thông tin tác giả: HỒNG ĐỨC QUỲNH Trường Cao đẳng Cơng nghệ Kinh tế Công nghiệp DESIGNING, MANUFACTURING AND CONTROLLING AGRICULTURE QUADCOPTER DRONE FOR SPRAYING PESTICIDES • HOANG DUG QUYNH Industrial Economic Technology College ABSTRACT: This paper presents the design, manufacture and control of four-propeller drones (Quadcopter) for spraying pesticides The linear model of quadcopter system is built based on mechanical structure, dynamics, and aerodynamics The Quadcopter system control is built on components including position control, tilt control, distribution control and motor control The simulation results are verified by Matlab-Simulink to verify the designed mathematical model and control system Keywords: control, Quadcopter, pesticide drone 344 So - Tháng 3/2022 ... điều khiển điều khiển QuadCopter theo thơng số: tốc độ góc, góc nghiêng, vận tốc, vị trí Kết luận Tác giả thiết kế chế tạo điều khiển máy bay không người lái cánh quạt (Quadcopter) ứng dụng phun. .. Vk=^-.nkd;k=J, Mô hệ điều khiển Từ điều khiển thiết kế được, với mơ hình máy bay, ta có sơ đồ mơ hệ điều khiển cho máy bay sau SỐ - Tháng 3/2022 341 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Bảng Các thơng số điều khiển góc... lệch điều khiển: AQk = Qd k - ílk Tuy phần lớn điều khiển bay, hệ tốc độ hệ hở Việc không sử dụng điều khiển tốc độ làm cho cấu trúc điều khiển đơn giản, tin cậy hơn, giảm tải cho xử lý mà không

Ngày đăng: 02/12/2022, 12:12

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan