Microsoft Word 227 Nguyen Duc Minh doc Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN 978 604 82 2981 8 558 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÒNG LẶP KÉP CHO HỆ QUADROTOR UAV Nguyễn Đức Minh Trường Đ[.]
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÒNG LẶP KÉP CHO HỆ QUADROTOR UAV Nguyễn Đức Minh Trường Đại học Thủy lợi, email: minhnd@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU Gần thiết bị bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicles) nghiên cứu sử dụng nhiều lĩnh vực quốc phòng, quân dân UAV có nhiều hình dạng, kích thước phục vụ nhiều mục đích khác Ban đầu, chúng dùng chủ yếu cho mục đích quân sự, bay trinh sát với khả chụp khơng ảnh, truyền hình ảnh huy, hay tìm diệt mục tiêu khó tiếp cận vũ khí mang theo Dần dần UAV ngày sử dụng sâu rộng cho mục đích dân sự, từ việc đáp ứng thú chơi tiêu khiển người dùng, giao hàng hóa, rải phân, tưới chăm sóc mùa màng, theo dõi đàn gia súc, giám sát rừng, vườn thú hoang dã, quay phim, chụp ảnh từ cao, cứu hộ cứu nạn nơi hiểm trở… Trong báo này, so với phương pháp điều khiển nay, tác giả đề xuất phương án với vòng điều khiển bao gồm vịng ngồi vịng điều khiển vị trí, vịng vịng điều khiển góc quay Với đề xuất chất lượng điều khiển nâng lên đáng kể, kết thực nghiệm cho thấy đề xuất hoàn toàn khả thi CẤU TRÚC VÀ MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA QUADROTOR 2.1 Mơ hình Quadrotor Quadrotor mơ hình máy bay khơng người lái với động gắn cánh quạt bố trí góc Hình Việc bay lên, xuống, sang phải, sang trái hay tăng giảm tốc độ bay phụ thuộc vào việc thay đổi tốc độ chiều quay động nói Hình Cấu trúc Quadrotor Trong x, y, z tọa độ trọng tâm quadrotor so với khung tọa độ gốc Roll, Pitch Yaw góc quay Euler biểu diễn hướng vật thể kí hiệu ϕ, θ ψ, , , , tín hiệu tốc độ motor 2.2 Mơ hình động học quadrotor x (sin sin cos sin cos ) U1 m U1 y ( cos sin sin sin cos ) m U1 z g (cos cos ) m I Iz JTP U2 y p qr q (1) Ix Ix Ix I I J U q z x pr TP p Iy Iy Iy r I x I y pq U Iz Iz Trong m is the trọng lượng quadrotor, g gia tốc trọng trường, JTP mô men nội rotor 558 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊNG LẶP KÉP Bộ PID kinh điển có cấu trúc sau: K u ( s ) ( K p i sK d )e( s ) (2) s Trong e sai lệch tín hiệu vào tín hiệu ra, u tín hiệu điều khiển, Kp, Ki, Kd hệ số khâu khuếch đại, khâu tích phân khâu vi phân Hệ thống điều khiển quadrotor bao gồm vịng lặp điều khiển vịng lặp điều khiển vị trí vịng lặp điều khiển góc bay, hệ thống thiết kế theo sơ đồ sau 4.2 Kết mô Giả thiết ta cho hệ MAV bay từ gốc hệ trục tọa độ mặt đất E có tọa độ O(0, 0, 0) tới vị trí có tọa độ A(0.1, 0.1, 1), góc xoay với giá trị ban đầu ϕ = 0rad, θ = 0rad, ψ = 0rad Bỏ qua tác động nhiễu cảm biến, sử dụng Simulink để mơ cho MAV trường hợp lí tưởng với điều khiển PID vòng lặp kép Sau nhiều lần thử, thông số điều khiển tối ưu đưa Bảng sau: Bảng Bảng thơng số giá trị mơ hệ thống vịng lặp kép Roll Hình Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển PID vịng lặp kép MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 4.1 Cấu trúc điều khiển Trong phần này, báo trình bày phương pháp xây dựng điểu khiển PID vịng lặp kép máy tính phần mềm Matlab với môi trường làm việc Simulink Out1 In1 Out1 PWM1 Input Out2 PWM2 Out3 PWM3 In3 Out4 PWM4 Out1 Omega_i In2 Control Omega_i P_V_A In1 Selector Dynamics Motors Out2 Kp Ki Kd 0.7 0.0 0.12 Pitch 0.7 0.0 0.12 Yaw 0.06 0.01 0.2 X 0.08 0.001 0.41 Y 0.08 0.001 0.41 Z 23.5 6.0 19.5 Kết mơ đặc tính vị trí x, y, z góc quay ϕ, θ, ψ Quadrotor MAV thể hình vẽ sau đây: In1 In2 Display Out1 In1 Out2 In2 IMU Hình Cấu trúc mơ điều khiển PID vịng lặp kép Hình Đặc tính ổn định Roll In1 Out1 In2 In1 In2 In1 Out1 In3 In1 Out2 In2 Out1 In2 Out3 In3 Position Control Transition In3 In1 Out1 In4 Out2 In5 In2 Out3 In6 Attitude Control In7 Out1 Out2 Out2 Out3 Out3 Out4 Out4 Invesion Hình Cấu trúc Control Module PID vịng lặp kép Hình Đặc tính ổn định Pitch 559 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 máy tính chứng minh tính đắn phù hợp phương án thiết kế Kết thực nghiệm cho thấy mơ hình hoạt động ổn định, điều khiển dễ dàng mơi trường phịng thí nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Đặc tính ổn định Yaw KẾT LUẬN Ưu điểm phương pháp điều khiển xác tọa độ bay quadrotor cách dễ dàng Kết mô [1] Nguyen Duc Minh, Nguyen Trong Thang, Yang Sheng Xuan, “The Quadrotor MAV System using PID Control”, IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), pp 506-510, 2015 [2] Nguyen Duc Minh, Nguyen Trong Thang "The Quadrotor MAV system using a double-loop PID control." International Journal of Advance and Apllied Sciences 2.12 (2016): 57-61 (ISI, ESCI) 560 ... Ki, Kd hệ số khâu khuếch đại, khâu tích phân khâu vi phân Hệ thống điều khiển quadrotor bao gồm vòng lặp điều khiển vịng lặp điều khiển vị trí vịng lặp điều khiển góc bay, hệ thống thiết kế theo... 978-604-82-2981-8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÒNG LẶP KÉP Bộ PID kinh điển có cấu trúc sau: K u ( s ) ( K p i sK d )e( s ) (2) s Trong e sai lệch tín hiệu vào tín hiệu ra, u tín hiệu điều khiển, Kp,... Simulink để mơ cho MAV trường hợp lí tưởng với điều khiển PID vòng lặp kép Sau nhiều lần thử, thông số điều khiển tối ưu đưa Bảng sau: Bảng Bảng thông số giá trị mơ hệ thống vịng lặp kép Roll Hình