Trang 1 Nguyễn Phú Bình CA140405 L– – ớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 1 LỜI M Ở ĐẦU Hiện nay s phát triự ển c a khoa học và công nghệ đã có những bƣớc nhảy ủvọt, đặc biệt là về phần cứng
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Hiện s ự phát triể n c khoa học công nghệ có bƣớc nhảy vọt, đặc biệt phần cứng nhƣ tốc độ khối lƣợng tính tốn, độ xác vi xử lý cảm biến ngày cao hơn, bên cạnh khả tạo mẫu nhanh với máy in 3D, cho phép s ự phát triển thiết bị mang tính ứng dụng cao, mà phần quan trọ ng thiết bị điều khiển Khả áp dụng điều khiển phần nhờ kế thừ a tảng lý thuyết điều khiển tuyến tính s ự có mặt c khái niệm hàm điều khiển Lyapunov giúp cho việc giải tính ổn định hệ thống sử dụng điều khiển phi tuyến đơn giản hơn, có ảnh hƣởng c nhiễ u ngoạ i lực, b ất định ho ặc mục đích điều khiển tối ƣu Bên cạnh đó, sở lý thuyết Cơ học kỹ thuật, hầu hết mô hình động học đối tƣợng đƣợc rõ ràng ngày đƣợc mở rộng sát với thực tế, điều khiển ngày đáp ứng đƣợc nhiều yêu cầu điều khiển phức tạp S ự xuất thiế t b ị có quân s ự trƣớc nhƣ GPS, robot quân sự, máy bay không ngƣời lái … dân s ự minh chứng cho phát triển xu hƣớng thiết k ế thiết bị có tính ứng dụng điều khiển cao Từ sở đó, học viên định chọn đối tƣợng Máy bay không ngƣời lái Quadrotor,do tính ứng d ụng cao khả chế tạo đơn giản, làm đối tƣợng điều khiển nhƣ đƣa điều khiể n tối ƣu để giải vấn đề cân bằng, đáp ứng vị trí đặt hƣớng (xoay quanh trục z) đặt cho đối tƣợng Luận văn tốt nghiệp học viên thực với tên gọi: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay khơng ngƣời lái” Luận văn đƣợc hồn thành nhờ s ự hƣớng dẫn động viên rấ t lớn từ TS Đào Phƣơng Nam thầy cô môn Điều khiển tự độ ng, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Mặc dù c ố gắng, nhƣng thân cịn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏ i thiếu sót Em mong quý th ầy cô b ạn đọc thông cảm gử i ý kiến đóng góp sửa đổi, bổ sung cho luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày 21/3/2016 Học viên: Nguyễn Phú Bình Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113935531000000 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ T ỔNG QUAN MÔ HÌNH MÁY BAY KHƠNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR……………………………… 1.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………….… 1.2 Máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV)………… 1.3 Tình hình nghiên cứu ………………………………………………….… 1.4 Tổng quan mơ hình máy bay không ngƣời lái d ạng Quadroto …………… 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động …………………………………… 10 1.4.2 Mơ hình UAV dạng Quadroto ………………………………… 12 1.4.2.1 Mơ hình máy bay theo phƣơng pháp Euler – Lagrange………… 13 1.4.2.2 Mơ hình máy bay theo phƣơng pháp Newton – Euler …………… 17 1.4.2.3 Mơ hình s d ụng để thiết kế b ộ điều khiển ……………………… 18 1.4.2.4 Ràng buộc non-holonomic c Quadrotor ……………………… 20 CHƢƠNG II: BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO HỆ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI ………………………………………… …………………… 23 2.1 Bộ điều khiển tối ƣu …………………………………………….…… … 23 2.1.1 Bộ điều khiển tố i ƣu dùng phƣơng pháp quy hoạch động …… 23 2.1.2 Bộ điều khiển tối ƣu cho mơ hình tuyến tính hóa ……….…… 23 2.2 Điều khiển d ự báo (MPC) ……………………………………………… 24 2.2.1 Mơ hình điều khiển d ự báo ……………………………………… 25 2.2.1.1 Mơ hình điều khiển tối ƣu …………………………………… 25 2.2.1.2 Mơ hình điều khiển d ự báo s d ụng hàm trực giao …………… 26 CHƢƠNG III: T Ổ NG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB ……………………………………… 29 3.1 Điều khiển d ự báo thời gian liên tục (Continuous-time MPC) ………… 29 3.1.1 Mơ hình tuyến tính ………………………………………….… 29 3.1.2 Mơ hình hóa quỹ đạo điều khiển …………………… ……… 30 3.1.3 Dự báo đáp ứng .………………………………….…… 30 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.1.4 Chiến lƣợc điều khiển tối ƣu ………………………………… 32 3.2 Mô Matlab ………………………………………………… 36 3.2.1 Mơ hình hệ thống ……………………………………….…… 36 3.2.2 Kết mô …………………………………………… 40 CHƢƠNG IV: ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTO TRONG THỰC T Ế ……………………….… 41 4.1 Hệ thống giám sát điều khiển Quadroto ……… ….……………… … 41 4.1.1 Vị trí vận tốc dài c Quadroto ……………………………… 42 4.1.2 Hƣớng vận tố c góc c Quadroto …………………………… 43 4.2 Cấu trúc điều khiển đề xuất ……………………………………………… 43 KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………… 49 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tham s ố c mơ hình Quadrotor ……………………… Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A 13 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ Hình 1.1 – C ấu tạo hoạt động c Quadrotor ………………………… 10 Hình 1.2 – Chiều momen quay góc Euler thay đổi ………………… 11 Hình 1.3 – Quadrotor hệ quy chiếu quán tính ……………………… 12 Hình 2.1 – C ấu trúc chung hệ thống MPC……………………… 25 Hình 4.1 – C ấu trúc phần cứng…………………………………………… 43 Hình 4.2 – Khối phần mềm tƣơng ứng cấu trúc phần c ứng………………… 44 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔ NG QUAN MƠ HÌNH MÁY BAY KHƠNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR 1.1 Đặt vấn đề Mặc dù có phát triển rõ ràng việc cân dòng máy bay không ngƣời lái, nhiên để UAVs phát huy đƣợc hết hiệu ứng dụng tốt thực tiễn, điều khiển cần c ả i tiến mặt tối ƣu lƣợng khả chịu nhiễu ngo i lực, b ất định bên cạnh việc bám vị trí quỹ đạo đặt Chính vậy, học viên định thực đề tài: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay khơng ngƣời lái” Luận văn trình bày kết nghiên cứu đƣợc thực d ựa kiến thức họ c viên đƣợc học tảng nghiên cứu điều khiển Quadrotor trƣớc Kết thực đề tài đƣợc thể qua kết mô phỏ ng tin c ậy Nội dung đồ án đƣợc s ắp xếp nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan ứng d ụng thiết bị bay khơng ngƣời lái nhƣ tình hình nghiên cứu thiết kế điều khiển cho thiết bị đặt vấn đề cho đề tài Giới thiệu sơ mơ hình bay Quadrotor trình bày bƣớc chọn biến trạng thái, xây dựng mơ hình đối tƣợng thiết kế điều khiển Chƣơng 2: Trình bày ngắn gọn lý thuyết điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái Chƣơng 3: T ổ ng hợp điều khiển dự báo cho đối tƣợng Quadrotor Phân tích ổn định c hệ kín trình bày cho điều khiển Các kết mô kiểm chứng phần mềm Matlab - Simulink đƣợc thể hiệ n chƣơng Chƣơng 4: Đề xuất c ấu trúc hệ thống giám sát điều khiển mơ hình bay Quadrotor Việc lựa chọn c ảm biến để đo lƣờng quan sát trạng thái Quadrotor cho độ xác phù hợp với mục đích thiết kế khác C ấu trúc phần c ứng phần mềm sơ đƣợc đề xuất cho mục Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP đích xây dựng hệ thống thử nghiệm kiểm tra đáp ứng điều khiển Quadrotor Kết luận: Kết luậ n công việc thực đồ án hƣớng mở rộng c đề tài 1.2 Máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) T xƣa đến nay, thiết b ị bay đối tƣợng đƣợc loài ngƣời quan tâm hàng đầu đầu tƣ phát triển mạnh mẽ Trong đó, thiết bị bay có ngƣời lái có lịch s phát triển lâu dài thống trị ngành hàng không dân s ự lẫn quân s ự mặc cho s ự c ng kềnh, phức tạp chúng Tuy nhiên nhờ s ự phát triển công nghệ mà thiết bị điện tử có tốc độ, hiệu suất lƣợng ngày cao kích c ỡ, giá thành giảm, hai thập kỷ gần chứng kiến s ự phát triển mạnh mẽ c thiết b ị máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) Điều mở đƣờng cho ứng d ụng hữu ích mà UAV phục vụ cho lồi ngƣời, nhƣ nề n tảng cho s ự phát triển máy bay cá nhân thực s ự nhỏ gọ n Cho đến nay, khơng tính đến ứng d ụng UAV lĩnh vực quân s ự thực nhiệm vụ nguy hiểm tới phi cơng nhƣ: tiếp cận đến nơi khơng an tồn (qn địch, núi lửa, phá dị mìn), ứng d ụng UAV lĩnh vực dân s ự phân lo ại thành mảng [8]: Chụp ảnh quay hình: Thu thập thơng tin qua quan sát từ cao, vẽ đồ nhìn đối tƣợng góc nhìn An ninh: Quan sát nhữ ng khu vực b ảo mật nghiêm ngặt, giám sát dịch bệnh, tìm ngƣời tích, … Mơi trƣờng: Phát cháy rừng, thu thập thông tin môi trƣờng xác hơn, bảo vệ độ ng vật hoang dã, … Nghiên c ứu khoa học: Điều khiển từ xa thu thập thông tin nghiên cứu đối tƣợng, … Nông nghiệp: Giám sát nông nghiệp thay cơng việc lồi ngƣời nhƣ bón phân đạm, phun thuố c trừ sâu Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Do tính ứng d ụng cao, thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc thiết kế đa dạng chun dụng cho mục đích Có nhiều cách để phân loại UAVs nhƣ khả bay xa, kích cỡ hay mục đích sử dụng, nhiên thơng thƣờng UAVs đƣợc phân loại thành nhóm [8] theo tính đặc trƣng: Fixed-wing aircraft: Thiết bị bay có cánh bay cố định bay với tốc độ cao phù hợp với quãng đƣờng bay xa Flapping-wing vehicles: Thiế t b ị bay có cánh đập, giống nhƣ việc mơ lồi chim trùng bay Blimps: Thiết bị bay s d ụng khí nhẹ khơng khí giống nhƣ khinh khí cầu (Lighter-than-air UAVs) Rotary wings UAVs: Thiết bị bay có cánh quay, cịn đƣợc gọi thiết bị bay cất cánh & hạ cánh theo chiều thẳng đứng (Vertical Take Off & Landing VTOL) Nổi bật ứng d ụng nhóm dịng Rotary wings UAVs với đặc trƣng Quad-rotor UAVs - loạ i s dụng rotor cánh quay Đặc điểm dòng c ất cánh, hạ cánh theo chiều d ọ c (không s d ụng đƣờng băng dài), khả giữ ổn định tốt nhƣ kết cấu khí đơn giản Dịng máy bay có khả mang tải n ặng, kết hợp với kh ả ổn định tốt, hứa hẹn nhiều ứng dụng hữu ích phục vụ lồi ngƣời 1.3 Tình hình nghiên cứu Trong hai thập kỷ qua, ngo ại trừ ngành Năng lƣợng chƣa có nhiều độ t phá, phần cứng nhƣ (1) thiết bị c ảm biến vi xử lý có tốc độ, độ xác ngày cao giá thành giảm; (2) S ự phát triển c c ảm biến hình ảnh thuật tốn quan sát; (3) Cơng nghệ viễn thơng định vị phát triển ứng dụng vào dân s ự nhƣ: Truyền d ữ liệ u tốc độ cao & GPS; (4) Công nghệ chế tạo phôi vớ i thành công tiêu biểu dân s ự hóa máy in 3D, giá mức hợp lý giảm; khiế n cho việc đƣa UAVs vào áp d ụng thực tế bƣớc thiết kế b ộ điều khiển & lập trình giám sát, điều khiển Cũng điều này, lƣợng lớn nghiên c ứu điều khiển UAVs đƣợc công bố kèm thực tế, nhiên chủ yếu để giữ thăng ổn định Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP không chuyển độ ng gần tới điểm mong muốn Các kỹ thuật điều khiển tiêu biểu kể đến: i Các b ộ điều khiển phản hồi đơn giản nhƣ PD, PID [6] thiết kế b ộ điều khiển LQR [9] cho mơ hình đƣợc tuyến tính hóa Đặc điểm điều khiển dễ dàng áp dụng vào thực tế nhƣng chất lƣợng khơng tốt nhiễu ngoại lực nhiễu bất định ii Bộ đ iều khiển d ự báo kết hợp b ộ điều khiển Back-stepping [20] nhằ m xác định tín hiệu điều khiển khiến hệ kín ổn định tiệm cận Đặc điểm điều khiển lo i đạt tới điểm đặt, có tính bền vững (với điều khiển trƣợt) nhƣng u cầu tính tốn cao thiết kế áp dụng thực tiễn iii Các b ộ điều khiển nâng cao s d ụng điều khiển thích nghi [5],[ 23], điều khiển bền vững nhằ m nâng cao khả chịu nhiễ u c UAVs nhƣ tác độ ng gió, ngoại lực khác … iv Các điều khiển s d ụng phản hồi hình ảnh Camera thu thập hình ảnh gắn [3] gắn ngồi [4] quan sát UAV, tính tốn t ốc độ góc quay, từ đƣa phản hồi cho tín hiệu điều khiển v Các điều khiển khác s d ụng lý thuy ết Điều khiển mờ [10], Mạng nơron [11] hay trí thơng minh nhân tạo [33] Do chất lƣợng điều khiển ổn định đƣợc đáp ứng tố t, nghiên c ứu điều khiển năm trở lại lại tập trung chủ yếu vào hƣớng: Thiết k ế b ộ điều khiển nâng cao thích nghi, b ền vững nhằm chống nhiễu môi trƣờng đặc biệt [5] Tập trung thiết kế b ộ điều khiển tối ƣu với phiếm hàm mục tiêu nhằ m tối ƣu lƣợng, tối ƣu thời gian bay đạt tới điểm đặt trạng thái [24], [29], [32] Mở rộng mô hình máy bay nhƣ lắp thêm cánh tay robot điều khiển lên UAV điều khiển ổn định bám giá trị, quỹ đạo đặt [25] 1.4 Tổng quan mô hình máy báy khơng ngƣời lái dạng Quadrotor: Trƣớc đến nội dung thiết kế b ộ điều khiển, phần dƣới trình bày cấu tạo, nguyên lý bay mơ hình động học c UAV d ạng Quadrotor Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.4.1 Cấ u tạ o nguyên lý ho ạt động UAV Quadrotor-type (gọi tắt Quadrotor) thiết bị bay thuộ c kiểu máy bay lên th ẳng, có bố n cánh quạt nằm mặt phẳng đƣợc gắn lên động đặt đối xứng qua tâm hình chữ thập Bốn cánh quạt giống kích c ỡ, với hai c ặp giố ng hệt nhau, mộ t c ặp cánh ngƣợc mộ t c ặp cánh xi đƣợc gắn đan xen theo vịng quay kim đồng hộ lấy tâm Quadrotor làm tâm quay đƣợc thiết kế để giống hoạt động Các động cho cánh quạt đối diện quay chiều, cánh quạt kềnhau quay ngƣợc chiều - nhằm cân momen Hình 1.1 – C ấ u tạo hoạt động Quadrotor [8] xoắn t M ,t M ,t M ,t M đƣợc tạo khung cản c khơng khí cánh quạt Giả thiết Quadrotor đƣợc xét đến có motor trƣớc M1 sau M3 quay cánh quạt ngƣợc chiều kim đồng hồ, motor bên trái M bên phải M4 quay cánh quạt thuận chiều kim đồng hồ, đồ ng thời motor quay tạo lực đẩy Quadrotor f1 , f , f3 , f hƣớng lên - vng góc với mặt phẳng chứa cánh quạt Tổng lực u tác dụng lên Quadrotor cánh quạt sinh ra: u = f1 + f + f + f Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A (1.1) Trang 10