nghiên cứu chế tạo robot bay quadrotor

Đồng thời có thể áp dụng những kết quảnghiên cứu được, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài sau này •Ý nghĩa thực tiễn - Trang bị những camera độ phân giải cao với các ứng dụng quay phi

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BAY QUADROTOR

Chủ nhiệm đề tài: KS.Nguyễn Thanh Sơn

TP.HCM, Tháng 9, Năm 2013

MỤC LỤC

B GIAO THÔNG V N T I Ộ Ậ Ả 1

 1

1

1

TÓM T T Ắ 1

TÀI NGHIÊN C U KHOA H C ĐỀ Ứ Ọ 1

C P TR NG Ấ ƯỜ 1

Nguyên lý ho t ng: ạ độ 17

2.1.2.1 H quy chi u quán tính ệ ế 17

2.1.2.2 H t a v t th ệ ọ độ ậ ể 18

2.1.2.3 H t a v t th - 1 ệ ọ độ ậ ể 18

2.1.2.4 H t a v t th - ệ ọ độ ậ ể 19

2.1.2.5 H t a thân Fb ệ ọ độ 20

2.1.3 ng h c và ng l c h c quadrotor Độ ọ độ ự ọ 20

2.1.3.1 Các bi n tr ng thái c a Quadrotor ế ạ ủ 20

2.1.3.2 ng h c Quadrotor Độ ọ 22

2.1.3.3 ng l c h c Quadrotor Độ ự ọ 23

2.1.3.4.L c và moment ự 26

2.1.3.5 Các ph ng trình mô ph ng n gi n ươ ỏ đơ ả để thi t k i u khi n ế ế đ ề ể 29

2.2 Mô ph ng ng l c h c Quadrotor ỏ độ ự ọ 31

2.2.1 Ph ng pháp mô ph ng bài toán c h c s ươ ỏ ơ ọ ử d ng công c S – Function trong Matlab-Simulink ụ ụ 33

2.2.1.1 Gi i thi u S-function ớ ệ 33

2.2.1.2 Các b c mô ph ng v i m t bài toán ướ ỏ ớ ộ 33

2.2.2 Mô ph ng ng l c h c, xây d ng b i u ỏ độ ự ọ ự ộ đ ề khi n cho Quadrotor ể 33

3.1 Mô hình thi t k 3D ế ế 36

3.1.1 Gia công các chi ti t và l p ghép ế ắ 37

3.1.1.1.Cánh tay 38

3.1.1.2.T m n i trung tâm ấ ố 38

3.1.1.3.T m gá m ch ấ ạ 38

3.1.1.4.Chân 38

3.1.1.5.B c ch n ạ ặ 38

3.1.1.6.M t s i m c n l u ý trong ph n này ộ ốđ ể ầ ư ầ 38

3.2 Thi t k h i u khi n QUAROTOR ế ế ệ đ ề ể 39

3.2.1 Sensor GYROSCOPE 39

3.2.2 M ch i u khi n ạ đ ề ể 40

3.2.3 Module i u khi n t xa RC (Radio Control) đ ề ể ừ 44

3.2.4 H th ng ph n c ng ệ ố ầ ứ 45

3.2.5 Thu t toán i u khi n ậ đ ề ể 47

3.3 Th nghi m và ánh giá ử ệ đ 48

K T LU N Ế Ậ 50

DANH M C TÀI LI U THAM KH O Ụ Ệ Ả 51

PH L C Ụ Ụ 52

Code mô ph ng ch ng trình matlab ỏ ươ 52

3.CODE CH NG TRÌNH I U KHI N ƯƠ ĐỀ Ể 57

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với những thành tựu đạt được trong các lĩnh vực khoa học khácnhau, từ những kết quả nghiên cứu, ứng dụng vào trong cuộc sống hàng ngày của conngười…, cho đến bước tiến vĩ đại của loài người trong việc chinh phục vũ trụ Ngành

Cơ điện tử đang ngày càng chứng tỏ là một trong những ngành công nghệ mũi nhọn

mà các quốc gia trong đó có Việt Nam đang đẩy mạnh nghiên cứu phát triển Tuy làngành công nghệ có thời gian ra đời rất muộn so với những ngành khoa học khác,nhưng những sản phẩm Cơ điện tử đã có mặt hầu khắp thị trường công nghệ tiên tiếntrên thế giới Nó đã thể hiện các tính năng nổi trội, chất lượng ổn định, độ tin cậy cao

và giá thành thì ngày càng thỏa mãn người tiêu dùng và các doanh nghiệp…

Cùng với các sản phẩm là những thiết bị kĩ thuật và máy móc hiện đại, thì robotmới là sản phẩm đặc trưng nhất của ngành Cơ điện tử, nó thể hiện rõ nét các yếu tốliên kết hữu cơ với nhau: cơ học, cơ khí, điện tử và điều khiển, để tạo ra ngành Cơđiện tử Việc ứng dụng các loại robot khác nhau trong sản xuất và sinh hoạt đang ngàycàng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới Bởi robot có thểlàm việc thay thế con người trong môi trường khác nhau có thể gây nguy hiểm cho conngười Bên cạnh đó các thảm họa thiên nhiên môi trường đang hàng ngày đe dọa đếncuộc sống của con người: động đất, sóng thần, cháy rừng, ô nhiễm, phóng xạ… đãbuộc con người phải tạo ra những thiết bị cảnh báo nguy cơ, đo đạc đất đai, trinh sátđịa hình ghi số liệu , nhằm phục vụ không chỉ trong dân sinh mà cả trong lĩnh vựcquốc phòng an ninh

Một trong những loại robot được quan tâm phát triển trong những năm gần đây làphương tiện bay ko người lái (UAV-Unmanned Aerial Vehicle ), đáp ứng một cáchlinh hoạt các yêu cầu của con người Đã có rất nhiều các viện khoa học, trường đại họctrên thế giới đã tham gia nghiên cứu và phát triển ứng loại robot này.Ở Việt Nam 1 sốtrường đại học như Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh,Viện Khoa học Công Nghê Bộ Quốc Phòng đã có những kết quả nghiên cứu khả quanbước đầu song còn nhiều khó khăn và còn là quãng đường dài để đi tới mộtsản phẩmhoàn chỉnh

Từ những điều nêu trên, người thực hiện xin chọn đề tài

“Nghiên cứu và chế tạo robot bay QUADROTOR” trong trường ĐH Giao ThôngVận Tải TP Hồ Chí Minh

1 Mục đích nghiên cứu

-Nghiên cứu, tiếp cận từng bước và làm chủ công nghệ chế tạo robot bay.

-Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên nghiên cứu và học tập

2 Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng phương pháp luận cơ điện tử trong tính toán và thiết kế chế tạo robot

Ở phương pháp này việc thiết kế có xét đến tính liên ngành và tích hợp hệ thống, cụthể:

- Nghiên cứu các tài liệuvà thiết kế có sẵn trong và ngoài nước

- Tính toán thiết kế mô hình hóa, mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống và loạitrừ các lỗi khi thiết kế

- Thiết kế mô hình tổng hợp dựa trên mô hình ảo, bao gồm: mô hình cơ khí, môhình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến

- Thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh

3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài về quadrotor là 1 đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực: cơkhí,khí động học, điện tử, điều khiển… Người thực hiện đặt mục tiêu là giải quyết bàitoán nguyên lý của quadrotor với những điều kiện như sau:

- Nghiên cứu loại Multirotorcó 4 chong chóng(Quadrotor)công suất nhỏ, sử dụngđộng cơ không chổi than

- Sử dụng cảm biến vận tốc góc

- Hoạt động trong phòng thí nghiệm và ngoài trời

- Lực nâng tối đa robot 1.5kg

- Tập trung vào bài toán điều khiển thăng bằng

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Ý nghĩa khoa học

Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụngQuadrotor có tính phức tạp và hoàn thiện hơn Đồng thời có thể áp dụng những kết quảnghiên cứu được, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài sau này

•Ý nghĩa thực tiễn

- Trang bị những camera độ phân giải cao với các ứng dụng quay phim chụp ảnh

từ trên cao cho mục đích giám sát, thăm dò hay giải trí…

- Tích hợp hệ thống GPS và giải quyết bài toán điều khiển vị trí để Quadrotor cóthể bay tự động

- Ngoài ra, tích hợp thêm các thiết bị phụ trợ cho từng loại nhiệm vụ như việc lắpthêm cảm biến siêu âm, cảm biến từ trường, cảm biến ảnh 3D… để tránh vật cản, xâydựng bản đồ, dò tìm mục tiêu…

- Trong các ứng dụng quân sự có thể tích hợp thêm vũ khí để do thám hay tấncông mục tiêu

-Những ứng dụng thú vị trong phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm các lý thuyết haythuật toán điều khiển mới

- Xa hơn, nó có thể mang lại ý tưởng cho phương tiện giao thông trong tương lai

Chương 1.TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử phát triển các phương tiện bay không người lái

1.1.1Khái niệm về thiết bị bay không người lái _UAV

Theo các chuyên gia hàng không, UAV đầu tiên có lẽ là chiếc Aerial Target củagiáo sư người Anh tên là Archibald Montgomery Low sáng chế năm 1916, [3] Theođúng nghĩa thì Aerial Target là một chiếc máy bay điều khiển từ xa qua sóng radiogiống như những món đồ chơi ngày nay Trải qua Thế Chiến I và II, UAV được pháttriển theo thời gian để đáp ứng những nhu cầu của quân đội Tiêu biểu nhất cho thờiđiểm này là những chiếc được chế tạo để huấn luyện các tay súng phòng không Sauthế chiến thứ II, động cơ phản lực được dùng cho những chiếc UAV như chiếcTeledyne Ryan Firebee I vào thập niên 1950

Với sự ra đời của máy tính

nhanh hơn và nhỏ hơn trong thập

niên 1980 và 1990, lịch sử hàng

không đã chứng kiến sự biến đổi

nhanh chưa từng có Các UAV được

trang bị hệ thống điều khiển để có thể

hoàn toàn tự bay theo đường bay

định trước nhờ vào hệ thống định vị

vệ tinh (GPS) Thêm vào đó sự phát

triển của kỹ nghệ vật liệu hợp chất

(composite materials) như sợi carbon

và polyme, UAV trở lên nhẹ nhàng

hơn nhưng lại chuyên chở nhiều bộ phận với hệ thống cảm biến đa chức năng Nhiềutính thực dụng như tiếp nhiên liệu trên không, tự động đáp, tự động tránh va chạm trênkhông, bay theo đội hình… không còn là độc quyền của máy bay có người lái Chonên những yếu tố quan trọng này giúp củng cố địa vị của UAV trong ngành hàngkhông không gian Yếu tố không người lái giúp cho UAV được sản xuất rẻ hơn Chính

vì vậy mà UAV được dùng trong cả quốc phòng và dân sự, vấn đề phi hành đoànkhông còn quan trọng làm cho chỉ số an toàn trong thiết kế không cần thiết phải caonhư trường hợp máy bay có người lái UAV có khả năng chứa nhiều nhiên liệu để cóthể bay liên tục vài ngày liền mà không cần hạ cánh Lợi điểm này giúp tiết kiệm chi

Hình 1.1 Máy bay không người lái Aerial

phí hoạt động rất lớn trong việc trinh sát, cung cấp tình báo hay quan sát thảm họa dothiên nhiên gây ra.

Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan chủ yếuđến các hoạt động quân sự như: hoạt động tình báo, do thám, trinh sát địa hình, xácđịnh vị trí mục tiêu, dẫn đường cho các phương tiện bay khác, cũng như được sử dụng

để tấn công mục tiêu Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ,Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga…, đã đầu tư hàng triệu đôla cho các công trìnhnghiên cứu và phát triển UAV Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khácnhau được thiết kế và đưa vào thực tế Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứngdụng UAV trong dân sự cũng được quan tâm nhưquan sát núi lửa, điều tra môi trường,bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp… Vì vậy ngàycàng có nhiều các ứng dụng thương mại được phát triển với UAV Có thể thấy rõ điềunày thông qua hệ thống cảm biến hiện đại như quang phổ điện từ, sinh học và hóa học.Các cảm biến quang phổ điện từ bao gồm đơn giản như máy quay phim, chụp hình chođến tối tân hơn như cảm biến nhiệt qua tia hồng ngoại, radar Cảm biến sinh học cókhả năng phát hiện các vi sinh vật trong không khí Cảm biến hóa học dùng laserspectroscopy để phân tích nồng độ các nguyên tố trong không khí Ngoài chức năngcảm biến UAV còn được dùng trong những trường hợp nguy hiểm Một thí dụ là chiếcAerosonde cân nặng 16kg, thuộc công ty Aerosonde Pty Ltd, có thể bay cận bên cơnbão và truyền dữ liệu trực tiếp về Trung tâm Bão Quốc gia tại tiểu bang Florida, Hoa

Kỳ Aerosonde có thể bay và đo lường áp suất, nhiệt độ gần mặt nước biển, điều màmáy bay có người lái khó có thể làm một cách an toàn

Ngày nay, một số lượng

lớn UAV đượcphát triển dựa

trên các nhiệm vụ yêu cầu

Trong đó công nghệ chế tạo

các UAV hiện đang là công

nghệ hàng không hiện đại

giới việc nghiên cứu và phát

triển các UAV không chỉ nằm trong phạm vi công nghệ và ứng dụng, mà còn mở rộngsang phát triển chủng loại mô hình kết cấu, kích thước và hình dáng khí động lực học

Hình 1.2 UAV Aerosonde thu thập dữ liệu thời tiết

của UAV, đồng thời còn xem xét đến các khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của mỗiloại mô hình thiết bị UAV đó Do đó, theo một cách phân loại, mà các UAV có thể lànhóm phương tiện có khả năng bay lên thẳng hoặc thuộc nhóm phương tiện bay cánhbằng Thông qua số lượng các UAV đang được nghiên cứu ứng dụng, cho thấy khôngthể phụ nhận khả năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linhhoạt trong phạm vi hoạt động hẹp Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khuvực thấp hơn so với mặt nước biển, hẹp về không gian, hoặc đòi hỏi phải ổn định vị trítrong thời gian nhất định, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đóthông qua các trạm điều khiển Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳngnhư các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, Quadrotor đều đã được pháttriển từ lâu Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định.

1.1.2Phương tiện bay nhiều chong chóng và Quadrotor

Chiếc Muticopter đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoahọc người Pháp, Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo [6] Nó được mang tên là

“Breguet – Richet Gyroplane No 1” Yêu cầuđược đưa lànó có thểcất cánh khỏi mặtđất với 1 phi công Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánhquạt Mỗicánh quạt có 4 bản cánh Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từđộng cơ cho các cánh Bộ khung củachiếc quadrotor này làm từ các ống thép Tổngtrọng lượng của nó vào khoảng 500kg Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai-Pháp vào năm 1907, nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m

Hình 1.3 Breguet- Richet Gyroplane

Đến năm 1920,

Etienne Oemichen, đã chế

tạo một chiếc Multicopter

với 8 cánh quạt linh hoạt

nhằm điều khiển và tạo lực

đẩy.Ban đầu, nó được gắn

thêm mộtkhí cầu để nâng

này.Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc multicopter bay mà không cần

sự trợ giúp của khí cầu Sau đó, nó không bao giờ được sử dụng nữa [6]

Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiếtkếchiếc Multicopterkhổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ Cỗ máy này đã được điềukhiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt Ngoài ra

nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển Chiếc Multicopternày được đặt tên là ”Bạch tuộc bay” Nhưng dự án này bị hủy bỏ ngay lập tức vì khảnăng bay thấp, giá thành cao [6]

Hình 1 5 Bạch tuộc bay

Từ đó, các cấu hình của máy bay nhiều động cơ không còn được chú ý nhưtrước Cho đến những năm 1980, sự phát triển của thành tựu khoa học kĩ thuật mớicùng với sự ra đời của máy tính Multicopter lại được quan tâm trở lại với đơn giản,khả năng mang tải cao và giá thành thấp

Chiếc Draganflyer [7] của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếcQuadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng Nó được trang bị mộtbảng mạch điều khiển vị trí Draganflyer có thể rất dễ dàng bay so với một chiếc trựcthăng thông thường Khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹnhưng đủ bền Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng Ngàynay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục

vụ cho các công việc nghiên cứu

Hình 1 6 Draganflyer

Chiếc Quattrocopter [8] cũng là một trong những chiếcQuadrotor siêu nhỏđángđược quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu Nó có trọng lượng khá nhỏ(0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác Quattrocopter là chiếcQuadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống công nghiệp và các ứngdụng quốc phòng Một bảng mạch điều khiển có tên hệ thông tự lái hàng không siêunhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm biến dữ liệu áp suất không khí

và một vi điều khiển

Hình 1 7 Quattrocopter

Chiếc X4 flyer Mark II , như trong hình 1.8, được thiết kế và chế tạo tại Đại họcQuốc gia Úc nhằm cho sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng Nóđược thiết kế như một ứng dụng trong nhà

Hình 1 8 X4- flyer Mark II

Một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford [10], với hệ thống kiểm tra tĩnh choquá trình điều khiển đa trạm (STARMAC), đã sử dụng Quadrotor như một thiết bị cơbản để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không

có ích Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí

khiển PIC Mạch cảm biến bao gồm một khốiIMU có chức năng đưa ra 9 trạng tháicủa hệ thống (nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một

bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biến siêu âm Thuật toán lọc Kalmanđược đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến Ngoài ra nó còn được trang bị

bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao đổi thông tin giữa Quadrotor vàtrạm mặt đất Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trìnhLabview nhằm kết nối trực tiếp Quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phântích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc Quadrotor

Hình 1 9 STARMAC

Scott D Hanford [5] đã cố gắng chế tạo mộthệ thống kiểm tra trạng thái tĩnh giá

rẻ cho Quadrotor.Hệ thống bao gồm các gyro tương tự, một accelerometer và vi điềukhiển PIC Một bộ điều khiển tỷ lệ tích phân được thiết kế cho quá trình điều khiểntrạng thái ổn định

Hình 1.13 biểu diễn hệ thống kiểm tra một bậc tự do, tức trạng thái cân bằng theomột phương Sau đó tiếp tục kiểm tra cân bằng trên phương còn lại Cuối cùng, toàn

bộ các bộ phận lắp ghép trên một quadrotor tạo thành giá thửWhitman [5], hình 1.14

Nó cho phép đưa ramột giới hạn của các bậc tự do nhằm bảo vệ khỏi sự va chạm

Hình 1 10 Hệ thống kiểm tra 2 cánh quạt Hình 1 11 Quadrotor được gắn trên hệ thống thực hành Whitman

Liên quan tới công việc nghiên cứu đã và đang được tiến hành trong quá trìnhphát triển các thuật toán điều khiển cho Quadrotor, Samir Bouabdallah [10] đã so sánhcác trạng thái cân bằng của bộ điều khiển PID và LQ hay Ming Chen [11] đã nghiêncứu tích hợp đồng thời bộ điều khiển dự đoán mô phỏng và bộ điều khiển 2 bậc tự docho Quadrotor

Erdinc Altu [12] đã phát triển bộ điều khiển 2 vị trí cho Quadrotor Nó cơ bảnbao gồmđiều khiển phản hồi tuyến tính và bộ điều khiển bước lùi Hệ thống phản hồitrực tiếp đã được sử dụng để đo vị trí của quadrotor

Và đặc biệt, J Dunfied [13] đã xây dựng bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo Quá trìnhnghiên cứu bao gồm dữ liệu dạy tổng quátkhi bay cho Quadrotor, cập nhật dữ liệu cho

hệ thống bằng Matlab trên máy tính Bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo sử dụng vi điềukhiển Motorola MC68HC912DG128 và thiết lập cấu trúc điều khiển trong vi điềukhiển Hai cảm biến nghiêng, một la bàn và 3 gyro được sử dụng để cung cấp dữ liệudạy và phản hồi cho bộ điều khiển.J Dunfied còn chỉ ra những vấn đề tiềm ẩn trongquá trình tạo ra dữ liệu dạy có giá trị, tốc độ xử lí của vi điều khiển và tốc độ trao đổi

dữ liêu như giới hạn của dải lấy mẫu từ cảm biến và các tín hiệu điều khiển

Công việc nghiên cứu đã được quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên cứu khácnhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng Quadrotor là một lựa chọn tốtcho các ứng dụngcủa UAV so với một máy bay trực thăng thông thường Quadrotor ngày càng đượcứng dụng rộng rãi mọi lĩnh vực quân sự cũng như dân sự Nó đã mang lại cho các nhàkhoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu

1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu đề tài

1.2.1 Nhiệm vụ

-Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Quadrotor

-Xây dựng mô hình toán học của Quadrotor

-Xây dựng thuật toán điều khiển Quadrotor

-Mô phỏng mô hình Quadrotor và sử dụng Matlab

- Thi công mô hình Quadrotor

1.2.2 Mục tiêu

- Mô tả được mô hình toán học Quadrotor

- Xây dựng thuật toán điều khiển

- Mô hình thi công phải đáp ứng được các vấn đề về cơ khí và điều khiển, thẩm

mỹ, giá thành thấp

Chương 2.CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Giới thiệu Quadrotor

Phương tiện bay không người lái Quadrotor hay còn gọi là robot bay kiểuQuadrotor (gọi tắt Quadrotor) là thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng, có bốncánh quạt nằm trong cùng một mặt phẳng và được gắn lên bốn động cơ được đặt đốixứng qua tâm của một khung hình chữ thập Hình dáng hình học và quá trình hoạtđộng của Quadrotor được mô tả như hình dưới đây:

Hình 2 1 Cấu tạo mô hình và hoạt động của Quadrotor

Quadrotor có nhiều kích cỡ trong thực tế, nó có thể có kích cỡ lớn để chở người

và hàng hóa, và kích cỡ nhỏ để hoạt động trong những phạm vi nhỏ hẹp ngay cả trongnhà Vì có nhiều ứng dụng cho nên Quadrotor có nhiều hình dáng và tính năng khácnhau phục vụ cho việc nghiên cứu những ứng dụng đó

Cấu tạo: Thân robot thường có dạng chữ thập đối xứng nhau qua tâm Bốn cánh

quạt giống nhau về kích cỡ, với hai cặp cánh giống hệt nhau, một cặp cánh ngược vàmột cặp cánh xuôi Mỗi cặp cánh gắn lên một cặp động cơ và gá vào khung chữ thập ở

vị trí mà cặp cánh đó đối xứng qua tâm ở đây thì bốn động cơ giống nhau và hoạtđộng sao cho 2 cánh quạt đối diện quay cùng chiều, 2 cánh quạt kề nhau quay ngượcchiều Sở dĩ có cấu tạo như vậy là nhằm mục đích chống xoay thân khi cánh quay.

Nguyên lý hoạt động:

Để điều khiển được hoạt động của robot bay ta phải điều khiển tỉ lệ tốc độ tương ứng giữa 4 cánh quạt Trong đó, để điều khiển bay lên thì 4 cánh quạt phải quay cùng tốc độ, 2 cánh đối diện của Quadrotor quay cùng chiều với nhau và ngược với 2 cánh còn lại Điều này rất quan trọng vì nó sẽ không làm cho Quadrotor xoay quanh trục vuông góc với mặt phẳng thân, như vậy theo nguyên lý bảo toàn mô men động lượng thì 2 cặp cánh quay ngược nhau sẽ tạo ra cặp mô men động lượng đối nghịch triệt tiêu lẫn nhau.

Do vậy độ cao của Quadrotor sẽ thay đổi khi tăng

hoặc giảm đồng thời tốc độ các cánh quạt trước sau, trái

phải

Ban đầu cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau

khi cất cánh nếu quay ở cùng tốc độ Khi đó:

•Góc nghiêng (Roll) được điều khiển bay khi thay

đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và cánh

bên trái sao cho tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này

được giữ nguyên

•Góc lật (Pitch) cũng được điều khiển bởi mối quan hệ giữa hai tốc độ của hai

cánh phía trước và phía sau sao cho tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này được giữnguyên

•Góc xoay (Yaw) lại được thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên

phải và bên trái khi tính tới sự liên quan tốc độ cặp cánh phía trước và phía sau

Với việc điều khiển theo ba mối quan hệ như vậy thì tổng lực đẩy sinh ra bởi cáccặp cánh được giữ không đổi Và muốn Quadrotor di chuyển theo phương, quỹ đạohoặc theo yêu cầu đặt ra ta phải phối hợp các nguyên lý điều khiển chuyển động trênvới nhau

2.1.2.1 Hệ quy chiếu quán tính Fi

Thếcủa Quadrotortrong không gian được coi là xác định hoàn toàn nếu biết được

vị trí và hướng của nó trongmột hệ quy chiếu cho trước Hệ tọa độ quán tính Fi được

Hình 2.2.Biểu diễn nguyên

lý hoạt động Quadrotor Hình 2 2 Biểu diễn nguyên

lý hoạt động Quadrotor

dùng làm hệ tọa độ gốc Các vector đơn vị, ii hướng về phía Bắc,jihướng về phía Đông

và ki hướng vuông góc với mặt đất

kv1 cùng hướng với kv hướng vuông góc mặt đất Hệtọa độ vật thể 1 được biểu diễntrên hình 2.5

Ma trận quay để biến đổi từ Fvđến Fv1là:p v1 =

θ Nếu góc xoay bằng 0 thì iv2sẽ chỉ về hướng đầu vật thể,jv2hướng về cánh phải,

kv2chỉ về bụng của vật thể Hệ tọa độ vật thể 2 được biểu diễn trên hình 2.6

Hình 2 6 Hệ tọa độ vật thể 2

Sự chuyển đổi từ Fv1 sang Fv2 được biểu diễn bởi:

Trong đó:

2.1.2.5 Hệ tọa độ thân F b

Hình 2 7 Hệ tọa độ thân

Hình 2.7 biểu diễn hệ trục tọa độ thân Quadrotor Hệ trục tọa độ thân được hìnhthành bằng cách quay hệ trục tọa độ vật thể 2 theo chiều thuậnquanh trục iv2 một gócxoay Nó được đặt tại trọng tâm của Quadrotor, ib chỉ về đầu Quadrotor, jb hướng vềcánh phải và kbhướng vuông góc với thân

Từ Fv2 chuyển đổi qua Fb, ta có ma trận quay

Trong đó

Quá trình chuyển từ hệ tọa độ vật thể sang hệđộ thân cho ta ma trận quay

2.1.3 Động học và động lực học quadrotor

2.1.3.1 Các biến trạng thái của Quadrotor.

Các giá trị trạng thái của Quadrotor bao gồm 12 giá trị sau:

= vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính theo phương vecto ii

=vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính theo vecto ji

h = độ cao của Quadrotor trong hệ hệ quy chiếu quán tính

vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên ib của Fb

vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên jb của Fb

= vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên kb của Fb

= góc quay theo trục Roll của Quadrotor trong Fv2

= góc quay theo trục Pitch của Quadrotor trong Fv1

= góc quay theo trục hướng đất Yaw của Quadrotor trong Fv

= vận tốc góc Quadrotor đo trên ibcủa Fb

= vận tốc góc Quadrotor đo trên jbcủa Fb

= vận tốc góc Quadrotor đo trên kbcủa Fb

Trục Roll

Hình 2 8 Mô tả về các trục

Vị trí ( ) của Quadrotor được đưa ra trong hệ tọa độ quán tính, trong đo h

được đo trên trục đối z của hệ tọa độ quán tính, trục z là trục vuông góc mặt đất Cácvận tốc ( ) và các vận tốc góc ( )sẽ liên quan đến hệ tọa độ thân Quadrotor.Các góc Euler: roll pitch và yaw phụ thuộc vào hệ tọa độ vật thể 2, hệ tọa độvât thể 1 và hệ tọa độ vật thể

2.1.3.2.Động học Quadrotor

Các giá trị trạng thái là các đại lượng quán tính, trong khi đó các vận tốcdài là các đại lượng đo trên hệtọa độ thân Do đó mối quan hệ giữa chúng đượcbiểu diễn bởi phương trình:

Mối quan hệ giữa các góc , , và các vận tốc góc (p, q, r) là rất phức tạp bởi

chúng được tính toán trên 2 hệ trục tọa độ khác nhau Các vận tốc góc được gắn trên

hệ tọa độ thân Fb, trong khi đó góc được gắn trên Fv2, góc lại trên Fv1 còn góc lạiđược gắn trên Fv

Chúng ta cần mối quan hệ giữa ( )và ( ) Với ( ) là rất nhỏvàchú ý rằng :

= I

Ta có:

(4)Trong đó:

Đối với chuyển động quay, theo định luât 2 Newton

Trong đó h là mô men động lượng và m là mô men quay.

Từ đó

Đối với khối cầu đồng chất

Kết quả là

Có mb = , viết lại phương trình (2), ta được:

Kết quả cuối cùng thu được, động học và động lực học của Quadrotor cơ bảnđược biểu diễn qua các phương trình toán học sau:

kế 2 cặp cánh trước- sau quay cùng chiều kim đồng hồ và 2 cặp cánh phải-trái quayngược chiều kim đồng hồ nên moment xoắn sinh ra trên khung hình chữ thập sẽ bịtriệttiêu Độ lớn của lực đẩy và moment quay sinh ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay củađộng cơ Khi động cơ quay càng nhanh, lực đẩy và moment quay càng lớn

Hình 2 10 Hình chiếu đứng của Quadrotor.

Mỗi động cơ sinh ra một lực F và mô men quay Động cơ trước và sau quaytheo chiều kim đồng hồ, còn động cơ phải và trái quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 2 11 Hình chiếu đứng của Quadrotor.

Tổng các lực tác dụng lên Quadrotor là

Với , , , lần lượt là lực đẩy của các động cơ trước, sau, phải, trái

Mô men xoay sinh ra bởi các lực do động cơ phải và trái

Tương tự như vậy, mô men nghiêng sinh ra do lực cung cấp bởi 2 động cơ trước

và sau là:

Liên quan tới định luật 3 Newton, phản lựccủa các cánh quạt sinh ra momentlệch trên thân Quadrotor Hướng của mô men phụ thuộc vào hướng quay của cánhquạt Do đó tổng moment lệch thu được

Trong đó: , , , lần lượt là mô men quay của các động cơ phải, trái,trước, sau

Lực nâng và kéo sinh ra bởi các cánh quạt tỉ lệ với bình phương vận tốc góc Vàchúng ta coi như vận tốc góc cũng tỉ lệ tuyến tính với tần số điều khiển động cơ Do

đó, lực và moment quay của mỗi động cơ có thể biểu diễn dưới dạngsau

Trong đó, và là 2 hằng số cần có thể xác định thông qua các thí nghiệm,

là tín hiệu điều khiển động cơ và * thay thế cho kí hiệu f, r, b và l

Ngoài lực do động cơ gây ra, lực hấp dẫn cũng tác dụng lên Quadrotor Trong hệ

độ vật thể Fv,lực hấp dẫn tác dụng lên trọng tâm của Quadrotor

Nhưng vector v lại được đo trên hệ tọa độ thân Fb nên chúng ta phải chuyểnthông qua ma trận quay

Do đó, các phương trình (9)-(12) trở thành:

(10)

(12)

2.1.3.5 Các phương trình mô phỏng đơn giản để thiết kế điều khiển

Nếu coi các góc và là rất nhỏ thì phương trình (12) trở thành

(14)Tương tự, phương trình (13) có thể đơn giản hóa nếu các giới hạn quán tính ,, là rất nhỏ có thể bỏ qua

(15)Kết hợp phương trình (14)và (15) ta được

(22)

(23)

Các phương trình trên giúp chúng ta sử dụng để mô phỏngnhằm kiểm tra sự ổnđịnh của Quadrotor trong qua trình thay đổi các trạng thái bằng cách thay đổi lực nânghay vận tốc quay của các động cơ.

2.2 Mô phỏng động lực học Quadrotor

Để mô phỏng động lực học robot Quadrotor, chúng ta sẽ sử dụng các kết quả từphần lý thuyết động học và động lực học, trong việc xây dựng ma trận cosin chỉ hướngnhằm xác định vị trí của Quadrotor so với hệ quy chiếu quán tính và hệ phương trình

vi phân mô tả trạng thái của Quadrotor Trong phần này, theo cách tiếp cận [5], tác giảbám theo

Một bộ khung thân Quadrotor hoàn chỉnh được giả thiết với trọng lực đặt tạitrọng tâm của Quadrotor, với trục z vuông góc với mặt phẳng thân tại tâm hướng lêntrên Trục này có lên quan tới hệ quy chiếu quán tính bởi một vecto vị trí (x, y, z) và 3góc Euler ( ) được gọi tương ứng là 3 góc Pitch, Roll, Yaw Hệ tọa độ đecacXYZ và 3 góc Euler thể hiện trong phương trình (24), để biểu diễn ma trận quay

với lực, nhưng phương phụ thuộc chiều quay cánh quạt

Có 4 lực đầu vào là lực nâng khí động học của 4 cánh quạt và 6 trạng thái đầu ra(x, y, z, ) do đó Quadrotor là một hệ chấp hành theo (under – actuated system)

Các phương trình chuyển động được xây dựng từ các phương trình cân bằng lực

và moment Có 6 phương trình động lực học cho 6 bậc tự do

(24)

Ki – ở trên là các hệ số kéo Trong phần tiếp theo đây chúng ta sẽ giả thiết hệ sốkéo bằng 0, vì kéo là không đáng kể khi ở tốc độ thấp Để cho thuận tiện trong môphỏng chúng ta sẽ định nghĩa các đầu vào ảo

(25)Trong đó: m- khối lượng Quadrotor; Ji – moment quán tính giữa các trục J1 Jy; J2 Jx;J3 Jz ; và C – là hệ số tỉ lệ giữa lực và moment biểu diễn cho tổng

lực đẩy lên thân theo trục z, và là đầuvào pitch và roll, và là moment xoaythân Do đó các phương trìnhchuyển động trở thành:

(26)

2.2.1 Phương pháp mô phỏng bài toán cơ học sử dụng công cụ S – Function trong Matlab-Simulink

2.2.1.1 Giới thiệu S-function

Dùng một ngôn ngữ (C/C++, Matlab, Fortran) để lập trình một khốimô tả toánhọc của một hệ thống trong Simulink Khối đó gọi là S – Function, có thể viết bằngC/C++ và được dịch bằng lệnh mex (giống như cách viết hàm trong Matlab bằng C/C++) Sau khi biên dịch xong thì ta có thể mô phỏng với khối S – function vừa được tạo

ra Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ nhanh, có thể lập trình được với những hệphức tạp

2.2.1.2 Các bước mô phỏng với một bài toán

•Lập trình file.c cho bài toán cần mô phỏng

•Biên dịch file.c sang file dạng.dll hoặc.mexw32 bằng lệnh

mex-setup // khởi tạo trình biên dịch trong Matlab

mex file.c

•Sau khi biên dịch xong thì ta tiến hành mô phỏng, lấy các khối cần thiết trongSimulink, lấy khối S – Function rồi khai báo tên hàm, tham số

2.2.2 Mô phỏng động lực học, xây dựng bộ điều khiển cho Quadrotor

Trong phần này chúng ta mô phỏng động lực học cho Quadrotor sử dụng hệphương trình (27) ở trên Với các thành phần đầu vào ảo như đã định nghĩa Tuynhiên, ở đây ta thấy có các hằng số m, Ji, C nên có thể định nghĩa lại các đầu vào ảonhư sau:

Hệ phương trình động lực học robot Quadrotor:

Bốn thành phần là 4 đầu vào ảo

Dưới đây sơ đồ khối trong Simulink, mô phỏng khối S- Function biểu diễn tínhchất động lực học robot Quadrotor

1 2 3 4 2

1 2 3 4 3

Chương 3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Mô hình thiết kế 3D

Hình dưới đây là mô hình thiết kế tổng thể Quadrotor:

Hình 3 1Mô hình thiết kế 3D của sản phẩm

Trước khi thiết kế tác giả đã lựa chọn các loại vật liệu phù hợp với các chi tiết, cụthể:

•4 cánh tay của bộ khung chữ thập làm vật liệu làm là nhôm khung 10x20

•4 chân đỡ khi hạ cánh, vật liệu chế tạo bằng xốp

•tấm nối trung tâm và tấm gá mạch có vật liệu chế tạo bằng Alu

•bạc chặn để giữ cố định cánh quạt trên trục động cơ làm bằngnhôm

•các chi tiết khác đều có tiêu chuẩn, có bán sẵn trên thị trường

3.1.1 Gia công các chi tiết và lắp ghép

Sau khi có mô hình thiết kế tổng thể và các bản vẽ chi tiết, tác giả tiến hành giacông các chi tiết cơ khí của Quadrotor trên các loại vật liệu đã lựa chọn Và lắp ráphoàn chỉnh phần khung cơ khí, sau đó là gá lắp phần cứng hệ thống điều khiển Sauđây là hình mô phỏng lắp ráp cơ khí Quadrotor:

Hình 3 3 Mô phỏng lắp ráp Quadrotor

Các chi tiết cơ khí, thiết bị phần cứng và số lượng được cho trong bảng sau:

Bảng 1.1 Các thiết bị phần cứng

3.1.1.1.Cánh tay

Các cánh tay của Quad rotor yêu cầu nhẹ và đủ cứng để có thểổn định trước tacdụng của trọng lực và momen xoắn Chiều dài của cánh tay phụ thuộc vào chiều dàicủa cánh nhằm loại bỏ các tác động lẫn nhau giữa các cánh khi quay

3.1.1.2.Tấm nối trung tâm

Chi tiết này có nhiệm vụ kết nối 4 cánh tay tạo thành khung chữ thập choQuadrotor Chi tiết làm bằng vật liệu alu nhẹ và dễ gia công

3.1.1.3.Tấm gá mạch

Được đặt phía trên tấm nối trung tâm Được chế tạo từ vật liệu alu Với tấm gámạch thì ta cách ly mạch với các phần khác nhằm dễ thao tác trong quá trình hiệuchỉnh robot

3.1.1.4.Chân

Dùng đểchống rung sóc khi hạ cánh của Quadrotor, như vậy sẽ giảm các tácđộng cơ học lên phần khung và hệ thống phần cứng Chân được làm bằng vật liệu xốp

3.1.1.5.Bạc chặn

Bạc chặn để giữ cố định cánh quạt trên trục động cơ và được làm bằng nhôm

3.1.1.6.Một số điểm cần lưu ý trong phần này

Trọng tâm của Quadrotor: Vì cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Quadrotortrọng tâm phải trùng với trọng tâm của bộ khung Trọng tâm của Quadrotor là điểmtập trung toàn bộ khối lượng của nó Trong tính toán động lực học và mô phỏng đềuliên quan đến trọng tâm Việc xây dựng các hệ tọa độ vật thể và hệ tọa độ thân đều cógốc đặt tại trọng tâm Điều khiển vị trí khi bay, giữ thăng bằng cũng liên quan đến việcxác định trọng tâm Với bài toán điều khiển Quadrotor thì trọng tâm là một yếu tố rấtquan trọng

Với yêu cầu trọng tâm như trên cho nên khi gia công cơ khí thì các chi tiết cầnđược đo một cách chuẩn xác, đến việc lấy dấu khoan cắt Và khi lắp ráp hoàn chỉnhtoàn bộ hệ thống phần cứng với các chi tiết cơ khí, chúng ta sẽ thực hiện việc cânchỉnh trọng tâm

3.2 Thiết kế hệ điều khiển QUAROTOR

3.2.1 Sensor GYROSCOPE

Để giải quyết bài toán thăng bằng cho Quadrotor tác giả đã chọn cảm biến vậntốc góc GyroScope Cảm biến GYRO hay còn gọi là con quay hồi chuyển là thiết bịcảm nhận sự quay góc và cho ra tín hiệu điều chỉnh động cơ

Hình 3 4 GYRO và nguyên lý hoạt động

Senso GYRO cảm nhận được sự thay đổi vận tốc góc theo trục của tinh thể piezo(tinh thể áp điện) bên trong Về nguyên lý hoạt động tinh thể piezo khi chịu 1 áp lựctác động lên bề mặt tinh thể sẽ sinh ra 1 hiệu điện thế ở 2 đầu của tinh thể Trongsensor GYRO này thì tinh thể được giữ cố định 1 đầu và đầu kia tự do, khi tác động 1momen theo trục của tinh thể thì đầu tự do sẽ bị xoắn so với đầu cố định, và sinh ra 1hiệu điện thế tỉ lệ với vận tốc góc xoay của sensor, gọi là Vout Khi vận tốc góc bằng 0thì Vout có giá trị khoảng 1.35V với nguồn 3.3V cho sensor Vout sẽ dao động quanhgiá trị 1.35V khi lúc lắc (tức có sự thay đổi vận tốc góc) sensor

Trong bài toán điều khiển này ta cần 3 sensor cho 3 phương X Y Z (roll, pitch,yaw)

3.2.2 Mạch điều khiển

PC6 (RESET) 1PD0 (RXD)

2 PD1 (TXD) 3 PD2 (INT0) 4 PD3 (INT1) 5 PD4 (XCK/T0) 6

VCC 7

GND 8

PB6 (XTAL1/TOSC1) 9

PB7 (XTAL2/TOSC2) 10

PD5 (T1) 11 PD6 (AIN0) 12 PD7 (AIN1) 13

PB0 (ICP) 14 PB1 (OC1A) 15 PB2 (SS/OC1B) 16

PB3 (MOSI/OC2) 17

PB4 (MISO) 18 PB5 (SCK) 19

AVCC 20AREF 21GND 22

PC0 (ADC0) 23PC1 (ADC1) 24PC2 (ADC2) 25PC3 (ADC3) 26PC4 (ADC4/SDA) 27PC5 (ADC5/SCL) 28

1K p3

GND

5v VCC

GND

VCC GND

GND

lm317 VCC

GND

GND GND

0.68uF C5 0.68uF C6 0.68uF C8

33uF C7

100pF c4

10uF C10

10uF C1

10uF C2

10uF C3

33uF c11

33uF C9

AVCC

26 28