Luận văn Thạc sỹ - Đề tài Mô hình QUADROTOR

Các thiết bị bay từ lâu đã là một ngành khoa học hàng đầu được con người đầu tư phát triển mạnh mẽ. Trong đó các thiết bị bay có người lái đã có một lịch sử phát triển lâu dài cũng như đang thống trị trong các ngành hàng không dân dụng và quân sự. Bên cạnh đó các thiết bị bay không người lái đang mở một hướng phát triển mạnh mẽ và dài hạn cho tương lai, và nó cũng đang tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt trong các lĩnh vực quan sát, do thám, tiếp cận những nơi con người không đặt chân tới được...Mô hình quadrotor mà đề tài theo đuổi chính là một thiết bị bay rất độc đáo, với 4 cánh quạt, lực nâng của thiết bị là rất lớn, đồng thời khả năng xoay chuyển linh hoạt kết hợp với cách cất cánh hạ cánh theo phương thẳng đứng thể hiện tính cơ động cao. Với một mô hình nhỏ có thể mang theo camera để ghi hình cũng như chụp lại ảnh theo yêu cầu của con người, tiến xa hơn là chuyên chở người, thiết bị...

Luận Văn Thạc Sĩ LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH QUADROTOR 1 Luận Văn Thạc Sĩ Thành phố Hồ Chí Minh Mục Lục: Chương 1 Tổng quan về đề tài 3 1.1 Đặt vấn đề 3 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 4 1.2.1 Một số công trình liên quan nổi bật 5 1.2.2 Chi tiết một số công trình 6 1.2.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan 8 1.3 Phạm vi nghiên cứu 9 1.4 Tóm lược nội dung luận văn 10 Chương 2 Mô hình hóa hệ quadrotor 11 2.1Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor 11 2.2Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor 12 2.3Mô hình toán học quadrotor 15 Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển thăng bằng dùng thuật toán PD 14 3.1Bộ điều khiển PID 20 3.2Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển PD 21 3.3Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PD 3.3.1 Các mô phỏng thay đổi Kp, Kd với m = 0.5 kg 24 3.3.2 Mô phỏng thay đổi khối lượng tải m 32 3.3.3 Mô phỏng thay đổi điều kiện đầu 34 3.3.4 Mô phỏng tín hiệu đặt là xung vuông với tải thay đổi 40 3.4Xây dựng bộ điều khiển Back-stepping 24 3.5Mô phỏng bộ điều khiển 28 Chương 4 Xây dựng bộ điều khiển thăng bằng dùng bộ điều khiển Back-stepping 41 4.1Giới thiệu phương pháp điều khiển Back stepping 41 4.2Cơ sở lý thuyết điều khiển Back stepping 42 4.3Xây dựng bộ điều khiển Back stepping cho mô hình 45 4.4Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển Back stepping 48 4.5Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Back stepping 50 4.5.1 Các mô phỏng thay đổi giá trị ban đầu của các tín hiệu đưa vào với m = 0.8kg 51 4.5.2 Mô phỏng thay đổi khối lượng tải với góc roll 60 2 Luận Văn Thạc Sĩ 4.5.3 Các mô phỏng thay đổi hệ số alpha ở m 1kg 66 4.5.4 Mô phỏng tín hiệu đặt là xung vuông và đổi tải 77 Chương 5 Xây dựng mô hình thực tế và tiến hành thực nghiệm 79 5.1Cấu tạo phần cứng mô hình 80 5.2Kết quả thực nghiệm điều khiển PD 81 5.3Kết quả thực nghiệm điều khiển Back stepping 83 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển 84 6.1Đánh giá kết quả 84 6.2Hướng phát triển của đề tài 85 Tài liệu tham khảo 86 Lý lịch trích ngang 88 3 Luận Văn Thạc Sĩ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Các thiết bị bay từ lâu đã là một ngành khoa học hàng đầu được con người đầu tư phát triển mạnh mẽ. Trong đó các thiết bị bay có người lái đã có một lịch sử phát triển lâu dài cũng như đang thống trị trong các ngành hàng không dân dụng và quân sự. Bên cạnh đó các thiết bị bay không người lái đang mở một hướng phát triển mạnh mẽ và dài hạn cho tương lai, và nó cũng đang tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt trong các lĩnh vực quan sát, do thám, tiếp cận những nơi con người không đặt chân tới được Mô hình quadrotor mà đề tài theo đuổi chính là một thiết bị bay rất độc đáo, với 4 cánh quạt, lực nâng của thiết bị là rất lớn, đồng thời khả năng xoay chuyển linh hoạt kết hợp với cách cất cánh hạ cánh theo phương thẳng đứng thể hiện tính cơ động cao. Với một mô hình nhỏ có thể mang theo camera để ghi hình cũng như chụp lại ảnh theo yêu cầu của con người, tiến xa hơn là chuyên chở người, thiết bị Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức lớn trong phương pháp điều khiển. Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển tốt, trong nhiều điều kiện thì cần bỏ ra rất nhiều thời gian thiết kế và thử nghiệm, kèm theo sử dụng những cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp. Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lượng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. So sánh rất nhiều bộ điều khiển như PID, Lyapunov, Backstepping, Sliding mode… học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài với bộ điều khiển Backstepping. Mục tiêu hướng tới là điều khiển là ổn định góc nghiêng 3 trục Roll, Pitch, Yaw của mô hình và bám theo góc nghiêng từ tín hiệu đặt. 4 Luận Văn Thạc Sĩ 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tương tự mô hình quadrotor của luận văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mô hình đặt vấn đề về độ vững chắc với thiết kế rất cứng cáp vững vàng bù lại đó là sự nặng nề và tiêu hao năng lượng lớn. Mỗi thiết đều có đặc điểm riêng tương ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu. 1.2.1 Một số công trình liên quan nổi bật 5 Luận Văn Thạc Sĩ Đề tài Trường ĐH Hình minh họa Mesicopter Stanford P. Cas t il lo’ s thesis Univ. Compiègne A. Clifton’s thesis Univ. V anderbil t P. P ounds ’ s thesis ANU M. Kemper’s thesis Univ. Oldenburg P. Tournier’s thesis MIT MD4-20 0 ® microDrones GmbH 1.2.2 Chi tiết một số công trình 6 Hình 1.1 Một số mô hình nổi bật Luận Văn Thạc Sĩ Mesicopter (Stanford) Được trang bị với những động cơ super mini, kích thước của mesicopter nhỏ gọn một cách ấn tượng, chỉ tương đương với một đồng xu, như trong hình minh họa trên, cả mô hình nằm gọn trong lòng bàn tay con người. Với kích thước đặc biệt nhỏ, hứa hẹn ứng dụng của mesicopter trong lĩnh vực tình báo, cũng như giám sát là rất cao, nhưng đi kèm theo nó cũng cần phát triển một hệ thống các thiết bị siêu nhỏ khác. 7 Hình 1.2 Mô hình Mesicopter (Stanford) Luận Văn Thạc Sĩ 8 Luận Văn Thạc Sĩ X4-flyer (ANU) Với đề tài X4 flyer với một kết cấu cơ khí vững chắc khả năng chịu lực cũng như nâng vật của máy bay trường ANU là rất điển hình, ngoài phần thân đã nặng 4kg, quadrotor này còn có thể mang thêm 1kg tải kèm theo. MD4-200 (microDrones GmbH). 9 Hình 1.3 Mô hình X4-flyer (ANU) Hình 1.4 Mô hình MD4-200 (microDrones GmbH) Luận Văn Thạc Sĩ MD4-200 là mẫu ấn tượng nhất. Đây là một sản phẩm thương mại đã được đăng kí, khả năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hoàn hảo, đổi hướng không bị mất thăng bằng, kết hợp với camera hoặc 1 máy chụp hình có độ phân giải cao, kèm theo cơ cấu chống rung cho thiết bị ghi hình, những dữ liệu được mô hình ghi lại rất sắc nét và không bị rung. 1.2.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan. Đi theo khả năng ứng dụng cao, hướng phát triển rộng, các nghiên cứu về quadroto đã được chú ý rất lớn qua nhiều công trình nghiên cứu, các đề tài khoa học của nhiều trường đại học cũng như các viện nghiên cứu trên thế giới. Các tài liệu tham khảo được nêu ở cuối đề cương chỉ là một phần rất nhỏ trong vô vàn những tài liệu hay và thiết thực này. Học viên chọn lọc được một số phương pháp điều khiển điều khiển mô hình máy bay không người lái quadrotor tiêu biểu, có thể áp dụng vào đề tài:  Phương pháp điều khiển cuốn chiếu (Back-stepping control)  Phương pháp điều khiển trượt (sliding mode)  Phương pháp điều khiển thông minh (Fuzzy, Neuron…) 10 [...]... sai lệch D = Kd de(t)/dt 23 Luận Văn Thạc Sĩ 3.2 Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển PD Hình 3.2 Sơ đồ bộ điều khiển PID 24 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 3.3 Khối điều khiển rotor Hình 3.4 Khối mô phỏng motor 25 Luận Văn Thạc Sĩ 3.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PD Các thông số vật lý được chọn tương đồng với mô hình thật: Thời gian mô phỏng 20s g = 9.81 m/s2 b = 3.13e-5 d = 9e-7 m = 0.5 kg Ixx = 0.0086... hành mô phỏng và thực nghiệm 11 Luận Văn Thạc Sĩ Chương 3: Trình bày bộ điều khiển PID, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế mô hình simulink tiến hành mô phỏng bộ điều khiển PD cho mô hình, tổng hợp các kết quả mô phỏng, nhận xét về những mô phỏng Chương 4: Trình bày bộ điều khiển Back stepping, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế mô hình simulink tiến hành mô phỏng bộ điều khiển Back stepping cho mô hình quadrotor, ... quả 1.4 Tóm lược nội dung luận văn Luận văn gồm 6 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, xu hướng phát triển của các mô hình tương tự như trong luận văn Khả năng ứng dụng thực tiễn, những ưu khuyết điểm của mô hình, mức độ áp dụng của các thuật toán Chương 2: Trình bày chi tiết mô hình toán học mô hình quadrotor Từ mô hình toán học tạo bước... Jr = 3.740e-5 l = 0.25 m a1 = (Iyy - Izz)/Ix a2 = Jr/Ixx a3 = (Izz - Ixx)/Iyy a4 = Jr/Iyy a5 = (Ixx - Iyy)/Izz b1 = l/Ixx b2 = l/Iyy b3 = l/Izz 26 Luận Văn Thạc Sĩ 3.3.1 Các mô phỏng thay đổi Kp, Kd với m = 0.5 kg Kp = 0.1, Kd = 0.4 Hình 3.5 Đáp ứng với Kp = 0.1, Kd = 0.4 27 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 0.4, Kd = 0.4 Hình 3.6 Đáp ứng với Kp = 0.4, Kd = 0.4 28 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 0.8, Kd = 0.4 Hình 3.6 Đáp... các thuật toán điều khiển 12 Luận Văn Thạc Sĩ CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ QUADROTOR 2.1 Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor - Hình 2.1 Cấu tạo quadrotor Quadrotor có 4 động cơ ơ 4 góc quay 4 cánh quạt với 2 cặp cánh quạt xen kẽ quay ngược chiều, và 2 cánh quạt đối xứng quay cùng chiều nhau để chống lại moment - xoắn Bộ điều khiển và cảm biến thường được đặt ở giữa trung tâm mô hình để giữ thăng bằng, và... tắc cơ bản về chuyển động và xác định tọa độ ta tiến hành mô hình hóa đối tượng quadrotor tìm phương trình động học tương đối để dễ dàng hơn trong việc điều khiển mô hình Phân tích mô hình: Hình 2.5 Hệ tọa độ đặt trên mô hình Mỗi điểm trên hệ tọa độ mô hình ta có thể chuyển sang hệ tọa độ mặt đất theo hệ sau (với s:sin, c:cos ) 17 Luận Văn Thạc Sĩ rX = (cψ cθ ) x + (cψ sθ sφ − sψ cφ ) y + (cψ sθ cφ... quanh trục roll ngược chiều kim đồng hồ 15 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 2.4 (e) Lực 4 motor tăng đều để bay lên (f) Lực motor1 mạnh, motor3 yếu điều khiển xoay quanh trục pitch theo chiều kim đồng hồ (g) Lực 4 mortor giảm đều để hạ xuống (h) Lực motor3 mạnh, motor1 yếu điều khiển xoay quanh trục roll ngược chiều kim đồng hồ 16 Luận Văn Thạc Sĩ 2.3 Mô hình toán học quadrotor Sau những nguyên tắc cơ bản về chuyển... tới 4 motor 13 Luận Văn Thạc Sĩ 2.2 Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor Hình 2.2 Hệ tọa độ đặt trên quadrotor - Trục x là véc tơ hướng từ motor3 tới motor1, góc xoay quanh trục x là góc roll Trục y là véc tơ hướng từ motor4 tới motor2, góc xoay quanh trục y là góc pitch Trục z là véc tơ vuông góc với x,y và hướng xuống, góc xuay quanh z là góc yaw 14 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 2.3 (a) Lực... 0.8, Kd = 0.4 29 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 1, Kd = 0.4 Hình 3.7 Đáp ứng với Kp = 1, Kd = 0.4 30 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 1.2, Kd = 0.4 Hình 3.7 Đáp ứng với Kp = 1.2, Kd = 0.4 Nhận xét: Khi tăng Kp từ 0.1 đến 1.2 đáp ứng của hệ thống nhanh dần Đến Kp bằng 1.2 bắt đầu xuất hiện vọt lố và dao động Ta chọn Kp bằng 1 để đáp ứng đủ nhanh mà dao động chưa lớn 31 Luận Văn Thạc Sĩ Tiếp theo là những mô phỏng với Kp... = 1, Kd = 0.2 Hình 3.8 Đáp ứng với Kp = 1, Kd = 0.2 32 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 1, Kd = 0.6 Hình 3.9 Đáp ứng với Kp = 1, Kd = 0.6 33 Luận Văn Thạc Sĩ Kp = 1, Kd = 0.8 Hình 3.10 Đáp ứng với Kp = 1, Kd = 0.8 Nhận xét: khi tăng Kd từ 0.2 tới 0.8 đáp ứng chậm dần và đạt tốt nhất tại Kd = 0.4 Tại Kd = 0.2 Đáp ứng rất nhanh nhưng giao động mạnh lúc đầu Tại Kd = 0.8 hệ mất ổn định 34 Luận Văn Thạc Sĩ và càng . Luận Văn Thạc Sĩ LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH QUADROTOR 1 Luận Văn Thạc Sĩ Thành phố Hồ Chí Minh Mục Lục: Chương 1 Tổng quan về đề tài 3 1.1 Đặt vấn đề 3 1.2 Các công. lược nội dung luận văn 10 Chương 2 Mô hình hóa hệ quadrotor 11 2. 1Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor 11 2. 2Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor 12 2. 3Mô hình toán học quadrotor 15 Chương. khiển nhiều mô hình tương tự mô hình quadrotor của luận văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mô hình đặt vấn đề về độ