(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID

(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID(Luận văn thạc sĩ) Điều khiên ổn định hóa Quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID

LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Trang ii LUẬN VĂN THẠC SĨ CẢM TẠ Xin cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM q Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp chúng tơi suốt q trình học cao hoc Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA, ngƣời nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho tơi suốt thời gian thực nghiên cứu đề tài Cám ơn lãnh đạo Khoa Điện - Điện Tử quý Thầy Cô khoa giúp đỡ trình thực đề tài Cám ơn tất bạn khố học, ngƣời chung chí hƣớng đƣờng tri thức để tất có đƣợc kết ngày hơm Cảm ơn gia đình ngƣời thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Xin trân trọng gửi lòng tri ân cảm ơn q Thầy Cơ Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực luận văn Phạm Đình Ngãi Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ TĨM TẮT Quadrotor thiết bị bay khơng ngƣời lái, có cấu tạo đơn giản, gồm động có cánh quạt đƣợc gắn phía cuối khung hình chữ thập Một UAV quadrotor có ƣu điểm bật nhƣ hoạt động linh hoạt, giữ ổn định vị trí khơng gian tốt, cất cánh, bay, đáp khu vực nhỏ, điều khiển đơn giản Trong luận văn, mơ hình tốn học quadrotor đƣợc trình bày chi tiết Các phƣơng trình động học động lực học quadrotor đƣợc xây dựng cách sử dụng phƣơng pháp Newton - Euler Sự chuyển động quadrotor đƣợc chia thành hai hệ thống con; hệ thống góc xoay (các góc nghiêng (roll), góc lật (pitch), góc xoay (yaw)) hệ thống dịch chuyển (độ cao Z, vị trí X, Y) Bộ điều khiển mờ PID đƣợc thiết kế xây dựng mơ hình mơ để điều khiển quadrotor Bộ điều khiển mờ PD gồm có đầu vào sai lệch tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu tốc độ thay đổi sai lệch Các yếu tố đầu vào giá trị đặt chiều cao Z, vị trí X, Y góc xoay (yaw) Các kết đầu lực khí động cần thiết cánh quạt để đạt đƣợc thông số kỹ thuật mong muốn Bộ điều khiển mờ đƣợc phát triển xây dựng Fuzzy Logic Toolbox Matlab Các kết mơ cho thấy tính khả thi điều khiển logic mờ PID sau so sánh với kết thực nghiệm Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT A quadrotor is an unmanned air vehicle which has four rotors located at the ends of a cross frame A quadrotor UAV which can be highly maneuverable, has the potential to hover and to take off, fly, and land in small areas, and can have simple control mechanisms This thesis work presents a detailed mathematical model for quadrotor The nonlinear dynamic model of the quadrotor is formulated using the Newton-Euler method The motion of the quadrotor can be divided into two subsystems; a rotational subsystem (roll, pitch, yaw) and a translational subsystem (altitude and x and y motion) Fuzzy PID controler is designed and implemented to control a simulation model of the quad rotor Each of the controllers works with the error and derivative of error The inputs are the desired values of the yaw, X, Y and height The outputs are the power of each of the four rotors that is necessary to reach the desired specifications Fuzzy PID controllers have been developed and implemented with the Fuzzy Logic Toolbox of Matlab The simulation results able to show the efficiency of the Fuzzy logic PID control strategy and then compared with the experimental results Trang v LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC KÝ HIỆU ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan .1 1.2.1 Các cơng trình liên quan bật .2 1.2.1.1 Draganflyer X-Pro (Draganfly) 1.2.1.2 Phantom FC40 1.2.1.3 MD4-200 (microDrones) 1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor có .5 1.3 Phạm vi nghiên cứu .6 1.4 Tóm lƣợc nội dung luận văn CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu tạo lý thuyết điều khiển quadrotor 2.1.1 Cấu tạo quadrotor 2.1.2 Lý thuyết điều khiển quadrotor .8 2.2 Mơ hình hóa quadrotor 12 2.2.1 Định nghĩa hệ quy chiếu .13 Trang vi LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.2.2 Động học quadrotor 14 2.2.3 Động lực học quadrotor 15 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 23 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ PID .23 3.2 Xây dựng luật điều khiển 25 3.2.1 Bộ điều khiển 28 3.2.2 Bộ điều khiển .28 3.2.3 Bộ điều khiển 29 3.2.3 Bộ điều khiển 29 3.3 Mơ hình Simulink mơ điều khiển 30 3.3.1 Trƣờng hợp khơng có tác động nhiễu 30 3.3.2 Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc xoay Psi 34 3.3.3 Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc trục X .38 CHƢƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH QUADROTOR 42 4.1 Hệ thống phần cứng 43 4.1.1 Cảm biến độ nghiêng MPU6000 .43 4.1.2 Hệ thống khung, động ESC 44 4.1.2.1 Hệ thống khung 44 4.1.2.2 Động không chổi than brushless (BLDC) cánh quạt 45 4.1.2.3 Bộ điều tốc ESC pin Lipo 47 4.1.3 Hệ thống tay cầm điều khiển 48 4.2 Thiết kế thi công board mạch điều khiển 50 4.3 Phần mềm giám sát bay 52 4.4 Bay thử đánh giá mơ hình 54 4.4.1 Về độ cao 54 4.4.2 Về tốc độ .54 Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.4.3 Về giao tiếp với tay cầm .55 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 56 5.1 Những kết đạt đƣợc 56 5.2 Những kết chƣa đạt đƣợc biện pháp khắc phục 57 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 Trang viii LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mơ tả X m Vị trí dài theo trục Y m Vị trí dài theo trục Z m Vị trí dài theo trục rad Góc roll (xoay quanh trục X) rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) rad Góc yaw (xoay quanh trục Z) m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H - Vector lực tổng quát N Vector lực theo hệ quy chiếu E N Vector lực theo hệ quy chiếu B N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ N Lực nâng theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn theo hệ quy chiếu B - Ma trận xoay - Ma trận tịnh tiến - Ma trận tổng quát - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H rad/s Vector tốc độ cánh quạt rad/s Tốc độ cánh quạt trƣớc rad/s Tốc độ cánh quạt phải rad/s Tốc độ cánh quạt sau rad/s Tốc độ cánh quạt trái m kg Khối lƣợng quadrotor IXX kg.m2 Mơ men qn tính theo trục X IYY kg.m2 Mơ men qn tính theo trục Y IZZ kg.m2 Mơ men qn tính theo trục Z l  m Nm/N Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động Hệ số tỷ lệ mô men động lực động Trang x LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Draganflyer X-Pro .2 Hình 1.2: Phantom FC40 Hình 1.3: Mơ hình MD4-200 Hình 2.1: Mơ hình quadrotor Hình 2.2: Góc xoay roll, pitch, yaw quadrotor .9 Hình 2.3: Hover Hình 2.4: Throttle 10 Hình 2.5: Roll 10 Hình 2.6: Pitch 11 Hình 2.7: Yaw 11 Hình 2.8: Hệ quy chiếu quán tính hệ quy chiếu vật thể .13 Hình 2.9: Lực moment tác động lên quadrotor 15 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ PD 24 Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển mờ 24 Hình 3.3: Thứ tự điều khiển 26 Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ quadrotor 26 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mờ quadrotor .27 Hình 3.6: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển X Y 28 Hình 3.7: Hàm thuộc đầu điều khiển X Y 28 Hình 3.8: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển Hình 3.9: Hàm thuộc đầu điều khiển 29 Hình 3.10: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển Hình 3.11: Hàm thuộc đầu điều khiển 28 29 .29 Hình 3.12: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển .29 Hình 3.13: Hàm thuộc đầu điều khiển .30 Hình 3.14 : Đáp ứng đầu X 31 Hình 3.15 : Đáp ứng đầu Y 31 Hình 3.16 : Đáp ứng đầu Z .32 Trang xi LUẬN VĂN THẠC SĨ 120 độ tạo từ trƣờng cảm ứng tƣơng ứng với cuộn nam châm vĩnh cửu đặt rotor, từ làm trục động quay với tốc độ nhanh không gây ma sát với stato Trƣớc tiên ta chọn động để đáp ứng u cầu tải trọng có ích sau chọn thiết bị khác nhƣ ESC, Pin, cánh quạt theo động Để chọn đƣợc động ta phải ƣớc lƣợng đƣợc sơ khối lƣợng khung, khối lƣợng thiết bị qua tính đƣợc trọng lƣợng tổng quadrotor Theo ƣớc lƣợng khối lƣợng quadrotor (chƣa tính tải trọng có ích) khoảng 0,5kg đến 0,6kg Để an toàn, chọn trọng lƣợng tổng máy bay 0,6kg Thông thƣờng cân (lực nâng = trọng lƣợng) tay ga mức 50% Hay nói cách khác, tổng lực nâng cánh quạt động sinh phải lần trọng lƣợng tổng máy bay 100% ga Trong trƣờng hợp tổng lực nâng động cần đạt đƣợc 1,2kg Lực nâng động cơ: 1,2kg/4 = 0.3kg Do đó, ta cần chọn động cánh quạt cho có lực nâng > 0,3kg Với thông số nêu trên, ta chọn động MT 1806 hãng Emax cánh có kích thƣớc 5” để phù hợp với thơng số kỹ thuật động cơ: Bảng 4.1: Thông số động BLDC MT 1806  Tốc độ vòng quay: 2280KV  Trục cốt motor: 2mm  Lực kéo tối đa: 0.46kg  Chiều dài: 26.7mm  Pin sử dụng: 2-3S  Đƣờng kính: 23mm  Thơng số cánh : 5" ~ 6"  Trọng lƣợng: 18g / 0.7oz  Dịng tải làm việc: