Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN NGHĨA ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN NGHĨA ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN– 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM VĂN NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 / 05 / 1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tp Quảng Ngãi, Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Số 117, đƣờng Đình Phong Phú, Phƣờng Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, Tp HCM Điện thoại riêng: 0983.996.008 E-mail: nghiaspkt08@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 07/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống BMS cho phần trung tâm điều trị theo yêu cầu quốc tế - Bệnh viện TW Huế Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS NGUYỄN PHAN THANH III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 6/2014–12/ 2014 Nơi công tác Công ty cổ phần công nghiệp APC Trƣờng ĐH SPKT 01/2015 - Nay Trƣờng CĐKT Cao Thắng 10/2012 – 5/2014 Trang i Công việc đảm nhiệm Kỹ sƣ lập trình Trợ giảng Giảng viên Bộ Môn Điện Công Nghiệp LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công 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 Sau thời gian học tập nghiên cứu, thực xong luận văn thạc sĩ đƣợc giao Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, cán công nhân viên nhà trƣờng tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho suốt trình học cao hoc Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Khoa Điện – Điện Tử, Quý Thầy Cô tận tình hƣớng dẫn cho kiến thức quý báu nhƣ ngày hôm Những kiến thức không cần công việc chuyên môn mà học thiết thực giúp hoàn thiện nhân cách Với lòng tri ân sâu sắc, muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA, ngƣời nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho suốt thời gian thực đề tài nghiên cứu Cảm ơn gia đình ngƣời thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Cuối cùng, xin kính chúc Quý Thầy Cô dồi sức khỏe để hoàn thành tốt công việc nghiệp giảng dạy Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực luận văn Phạm Văn Nghĩa Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Mô hình quadrotor đƣợc thiết kế cánh quạt đƣợc gắn động nằm góc khung chữ thập đƣợc gọi thiết bị bay không ngƣời lái UAVs Quadrotor loại thiết bị bay đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực thăm dò, thƣơng mại ứng dụng trời Tuy nhiên, để kiểm soát ổn định hay điều khiển quadrotor khó khăn quadrotor hệ thống phi tuyến Trong luận văn, mô hình toán học quadrotor đƣợc trình bày cách chi tiết Các phƣơng trình động học động lực học quadrotor đƣợc xây dựng 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) Trong luận văn này, tác giả trình bày phƣơng pháp thiết kế luật điều khiển phƣơng pháp trƣợt Chúng ta quan tâm đến mô hình vật lý phức tạp quadrotor Đối với mô hình quadrotor luận văn này, ta tiến hành thiết kế điều khiển trƣợt ổn định xác để thực việc điều khiển quadrotor tốt Để ổn định hệ thống chế độ điều khiển trƣợt đƣợc thiết kế dựa lý thuyết ổn định Lyapunov Ƣu điểm phƣơng pháp điều khiển trƣợt không nhạy cảm với biến đổi thông số hệ thống, trạng thái động điểm lỗi Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT Four rotor micro aerial robots, so called quadrotor UAVs, are one of the most preferred type of unmanned aerial vehicles for near-area surveillance and exploration both in military and commercial in- and outdoor applications The reason is the very easy construction and steering principle using four rotors in a cross configuration However, stabilizing control and guidance of these vehicles is a difficult task because of the nonlinear dynamic behavior 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) This thesis work presents a design autonomous method for attitude control of an quadrotor based Sliding Mode Control We are interested in the dynamic modeling of quadrotor because of it complexity The dynamic model is used to design a stableand accurate controller to perform the best tracking and attitude results To stabilize the overall systems, each Sliding Mode Controller is designed based on the Lyapunov stability theory The advantage of sliding mode control is its not being sensitive to model errors, parametric uncertainties and other disturbances Lastly, we show that the control law has a good robust and good stability 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 x DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xvi CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Lịch sử phát triển quadrotor công trình liên quan bật 1.2.1 Lịch sử phát triển quadrotor .2 1.2.2 Công trình liên quan bật 1.2.2.1 Mô hình Mesicopter .5 1.2.2.2 X4-flyer (ANU) .5 1.2.2.3 MD4-200 (microDrones GmbH) 1.2.3 Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor 1.3 Mục đích nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.6.1 Ý nghĩa khoa học 1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.7 Tóm lƣợc nội dung luận văn .10 CHƢƠNG 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động quadrotor 11 2.1.1 Cấu tạo quadrotor 11 2.1.2 Nguyên lý hoạt động quadrotor .11 Trang vi LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.1.2.1 Trạng thái lơ lửng (Hover) 13 2.1.2.2 Trạng thái bay lên xuống (Throttle) 13 2.1.2.3 Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) 14 2.1.2.4 Trạng thái lật trƣớc / sau ( Pitch ) 15 2.1.2.5 Trạng thái xoay qua trái / phải (Yaw) .15 2.2 Mô hình hóa quadrotor .16 2.2.1 Tổng quan hệ quy chiếu thân quadrotor .16 2.2.2 Động học quadrotor 18 2.2.2.1 Ma trận xoay R .19 2.2.2.2 Ma trận tịnh tiến𝐓𝚯 .20 2.2.2.3 Ma trận tổng quát 𝐉𝚯 21 2.2.2.4 tọa độ Mối liên hệ vector động học quadrotor hệ ……………………………………………………………………21 2.2.3 Động lực học quadrotor .22 CHƢƠNG 30 XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 30 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển trƣợt 30 3.1.1 Đặc điểm điều khiển trƣợt 30 3.1.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt 32 3.1.2.1 Điều khiển trƣợt bám 32 3.1.2.2 Ổn định hóa (regulation) 36 3.2 Xây dựng luật điều khiển trƣợt cho mô hình quadrotor .38 3.2.1 Luật điều khiển góc 40 3.2.1.1 Luật điều khiển góc nghiêng roll 41 3.2.1.2 Luật điều khiển góc lật pitch .41 3.2.1.3 Luật điều khiển góc xoay yaw .42 3.2.2 Luật điều khiển độ cao .42 3.3 Mô quadrotor phần mền Matlab 43 3.3.1 Xây dựng mô hình quadrotor Simulink 43 3.3.1.1 Thông số mô hình quadrotor 43 3.3.1.2 Sơ đồ khối quadrotor 46 3.3.1.3 Khối quadrotor Dynamics 47 3.3.1.4 Khối System Input Calculation 47 3.3.1.5 Khối Motor Speed Caculation .48 Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ 3.3.1.6 Luật điều khiển U1 .48 3.3.1.7 Luật điều khiển U2 , U3, U4 49 3.3.2 Kết mô .49 3.3.2.1 Thông số mong muốn trƣờng hợp tổng quát 49 3.3.2.2 ) Thông số mong muốn bảng 3.3 ( quadrotor trạng thái lơ lửng ……………………………………………………………………56 3.3.2.3 Thông số mong muốn bảng 3.4 ( quadrotor trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất) .63 3.3.3 Nhận xét kết mô .71 CHƢƠNG 72 THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR .72 4.1 Sơ đồ khối tổng thể quadrotor 72 4.2 Thành phần khối .73 4.2.1 Khung quadrotor 73 4.2.2 Động điều khiển quadrotor (Brushless motor) ESC 76 4.2.3 Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 .79 4.2.4 Vi điều khiển STM32F4 DISCOVERY 82 4.2.5 Pin LIPO 83 4.2.6 Tay cầm FS – T6 thu FS – R6B .84 4.3 Sơ đồ kết nối phần cứng .86 4.4 Thử nghiệm mô hình quadrotor 88 4.4.1 Giải thuật điều khiển quadrotor .88 4.4.1.1 Lƣu đồ giải thuật điều khiển quadrotor 88 4.4.1.2 Giải thuật điều khiển ARM 90 4.4.2 Giao diện giám sát quadrotor 90 4.4.3 Kết thử nghiệm mô hình quadrotor 94 4.4.4 Đánh giá mô hình quadrotor .96 4.4.4.1 Độ cao tốc độ quadrotor 97 4.4.4.2 Góc nghiêng 98 4.4.4.3 cầm Tốc độ đáp ứng khả giao tiếp quadrotor với tay ……………………………………………………………………98 CHƢƠNG 99 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .99 5.1 Kết đạt đƣợc .99 Trang viii LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.2 Những hạn chế chƣa đạt đƣợc hƣớng khắc phục 100 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC 103 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 103 Khai báo, khởi tạo biến thiết lập thông số cho vi điều khiển hoạt động ……………………………………… ……………………………………103 Chƣơng trình đọc tín hiệu từ nhận sóng RF 104 Chƣơng trình đọc tín hiệu từ cảm biến xử lý tín hiệu từ cảm biến 104 Thuật điều khiển trƣợt điều khiển quadrotor 105 Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả X m Vị trí dài theo trục xE Y m Vị trí dài theo trục yE Z m Vị trí dài theo trục zE 𝜙 rad Góc roll (xoay quanh trục X) 𝜃 rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) 𝜓 rad Góc yaw (xoay quanh trục Z) 𝑢 m/s Vận tốc dài theo trục xB 𝑣 m/s Vận tốc dài theo trục yB 𝑤 m/s Vận tốc dài theo trục zB 𝑝 rad/s Vận tốc góc theo trục xB 𝑞 rad/s Vận tốc góc theo trục yB 𝑟 rad/s Vận tốc góc theo trục zB 𝜞𝐸 m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E 𝛩𝐸 rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E 𝙑𝐸 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E 𝙑𝐵 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B 𝝎𝐵 rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B 𝝃 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E 𝝑 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B 𝜻 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H 𝜦 - Vector lực tổng quát 𝑭𝐸 N Vector lực theo hệ quy chiếu E 𝑭𝐵 N Vector lực theo hệ quy chiếu B 𝑭𝐸𝐺 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E 𝑭𝐵𝐺 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B 𝑮𝐵 (𝝃) - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B 𝑮𝐻 - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H Trang x LUẬN VĂN THẠC SĨ 𝑈𝐵 - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B 𝑈1 N Lực nâng theo hệ quy chiếu B 𝑈2 Nm Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B 𝑈3 Nm Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B 𝑈4 Nm Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B 𝝉𝐵 Nm Moment xoắn theo hệ quy chiếu B 𝐑Θ - Ma trận xoay 𝐓Θ - Ma trận tịnh tiến 𝐉Θ - Ma trận tổng quát 𝑬𝐵 - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B 𝑬𝐻 (𝝃) - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H 𝑴𝐵 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B 𝑴𝐻 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H 𝑶𝐵 (𝝑) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B 𝑶𝐻 (𝜻) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H 𝑪𝐵 (𝝑) - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B 𝑪𝐻 (𝜻) - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H 𝛺𝑟 rad/s Vector tốc độ cánh quạt 𝛺1 rad/s Tốc độ cánh quạt trƣớc 𝛺2 rad/s Tốc độ cánh quạt phải 𝛺3 rad/s Tốc độ cánh quạt sau 𝛺4 rad/s Tốc độ cánh quạt trái m kg Khối lƣợng quadrotor IXX kg.m2 Mô men quán tính theo trục X IYY kg.m2 Mô men quán tính theo trục Y IZZ kg.m2 Mô men quán tính theo trục Z l m Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động  Nm/N Hệ số tỷ lệ mô men động lực động Trang xi LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Breguet – Richet Gyroplane No Trang Hình 1.2 Quadrotor Etienne Oemichen Trang Hình 1.3 Bạch tuột bay Trang Hình 1.4 Draganflyer X-Pro Trang Hình 1.5 Mô hình Mesicopter Trang Hình 1.6 X4-flyer (ANU) Trang Hình 1.7 MD4-200 (microDrones GmbH) Trang Hình 2.1 Mô hình quadrotor Trang 11 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động quadrotor Trang 12 Hình 2.3 Hệ trục tọa độ đặt quadrotor Trang 12 Hình 2.4 Trạng thái lơ lửng (Hover) Trang13 Hình 2.5 Trạng thái bay lên / xuống ( Throttle ) Trang14 Hình 2.6 Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) Trang14 Hình 2.7 Trạng thái lật trước / sau ( Pitch ) Trang15 Hình 2.8 Trạng thái xoay trái / phải ( Yaw ) Trang16 Hình 2.9: Vị trí dài vị trí góc quadrotor Trang17 Hình 2.10 Hệ quy chiếu quán tính vật thể (Kivrak, A, 2006) Trang18 Hình 2.11 Lực moment tác động lên quadrotor Trang22 Hình 3.1 Trạng thái quỹ đạo điều khiển trượt Trang31 Hình 3.2 Quỹ đạo pha lý tưởng hệ bậc chuyển động mặt phẳng trượt gốc tọa độ Trang31 Hình 3.3 Quỹ đạo pha thực tế dao động Trang 35 Hình 3.4 Sơ đồ khối luật điều khiển góc quadrotor Trang 40 Hình 3.5 Sơ đồ khối luật điều khiển độ cao quadrotor Trang 42 Hình 3.6 Sơ đồ khối quadrotor Trang 46 Hình 3.7.Khối quadrotor Dynamics Trang 47 Hình 3.8.Khối System Input Calculation Trang 47 Hình 3.9.Khối System Input Calculation Trang 48 Hình 3.10.Luật điều khiển U1 Trang 48 Trang xii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.11.Luật điều khiển U2, U3, U4 Trang 49 Trường hợp tổng quát(Từ hình 3.12 đến 3.23) Hình 3.12.Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.13.Đáp ứng góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.14.Mặt trượt góc Pitch Trang 51 Hình 3.15.Đáp ứng góc lật Pitch Trang 51 Hình 3.16.Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.17.Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.18.Mặt trượt độ cao z Trang 53 Hình 3.19.Đáp ứng góc độ cao z Trang 53 Hình 3.20.Tọa độ quadrotor không gian Trang 54 Hình 3.21.Tốc độ đáp ứng động quadrotor Trang 54 Hình 3.22.Đáp ứng theo phương Ox quadrotor Trang 55 Hình 3.23.Đáp ứng theo phương Oy quadrotor Trang 56 Trạng thái lơ lửng (Từ hình 3.24 đến 3.35) Hình 3.24 Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 57 Hình 3.25 Đáp ứng góc Roll Trang 57 Hình 3.26 Mặt trượt góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.27 Đáp ứng góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.28 Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.29 Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.30 Mặt trượt độ cao z Trang 60 Hình 3.31 Đáp ứng góc độ cao z Trang 60 Hình 3.32 Tọa độ quadrotor không gian Trang 61 Hình 3.33 Tốc độ đáp ứng động quadrotor Trang 61 Hình 3.34 Đáp ứng theo phương Ox quadrotor Trang 62 Hình 3.35 Đáp ứng theo phương Oy quadrotor Trang 63 Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất(Từ hình 3.36 đến 3.47) Hình 3.36 Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 64 Hình 3.37 Đáp ứng góc Roll Trang 64 Hình 3.38 Mặt trượt góc lật Pitch Trang 65 Trang xiii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.39 Đáp ứng góc lật Pitch Trang 65 Hình 3.40 Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.41 Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.42 Mặt trượt độ cao z Trang 67 Hình 3.43 Đáp ứng góc độ cao z Trang 67 Hình 3.44 Tọa độ quadrotor không gian Trang 68 Hình 3.45 Tốc độ đáp ứng động quadrotor Trang 69 Hình 3.46 Đáp ứng theo phương Ox quadrotor Trang 70 Hình 3.47 Đáp ứng theo phương Oy quadrotor Trang 70 Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể quadrotor Trang 73 Hình 4.2 Khung quadrotor Tarot Iron man 650 TI65B01 Trang 75 Hình 4.3 Cánh quạt RC Timer 14*5.5’’ Carbon Prop Set (2XCW,2XCCW) Trang 75 Hình 4.4 Motor Sunny Sky X3508S_29 Trang 76 Hình 4.5 Mô hình động không chổi than Trang 78 Hình 4.6 ESC Platinum 30AOPTO-PRO Trang 78 Hình 4.7 Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 Trang 80 Hình 4.8 Sơ đồ chân MPU 9150 Trang 80 Hình 4.9 Bo mạch STM32F4 Discovery Trang 82 Hình 4.10 Pin LIPO TURNIGY Trang 83 Hình 4.11 Tay cầm Flysky FS – T6 Trang 84 Hình 4.12 Bộ thu Flysky FS – R6B Trang 85 Hình 4.13 Khối tay cầm điều khiển mô hình quadrotor Trang 86 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối phần cứng quadrotor Trang 87 Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình quadrotor Trang 89 Hình 4.16 Giao diện phần mềm STMStudio Trang 91 Hình 4.17 Giao diện giám sát góc quadrotor quadrotor cân Trang 91 Hình 4.18 Các góc quadrotor trường hợp nghiêng góc Roll Trang 92 Hình 4.19 Các góc quadrotor trường hợp lật góc Pitch Trang 92 Hình 4.20 Các góc quadrotor trường hợp xoay góc Yaw Trang 93 Trang xiv LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.21 Các góc quadrotor trường hợp tổng quát Trang 93 Hình 4.22 Quadrotor trạng thái chuẩn bị bay Trang 94 Hình 4.23 Quadrotor trạng thái vừa cất cánh Trang 95 Hình 4.24 Quadrotor trạng thái giữ lơ lửng không trung Trang 95 Hình 4.25 Quadrotor trạng thái bay không trung Trang 96 Trang xv LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số vật lý mô hình quadrotor Trang 43 Bảng 3.2 Thông số mong muốn mô hình trường hợp tổng quát Trang 49 Bảng 3.3 Thông số mong muốn mô hình_2 (Trạng thái lơ lửng) Trang 56 Bảng 3.4 Thông số mong muốn mô hình_3 (Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất) Trang 63 Trang xvi LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Lịch sử trải qua nhiều giai đoạn cách mạng khoa học kỹ thuật Đi kèm với tiến khoa học kỹ thuật, thiết bị bay không ngƣời lái UAV(Unmanned Arial Vehicle) đƣợc ứng dụng lĩnh vực dân dụng, quân hay khoa học vũ trụ tính ƣu việt nhƣ: có khả hoạt động tự động điều khiển từ xa, hoạt động nơi mà ngƣời khó tiếp cận UAV đƣợc biết đến nhiều khả thực nhiệm vụ liên quan đến thiết bị quân Các loại UAV phục vụ cho nhiệm vụ khác đƣợc thiết kế đƣa vào thực tế Ngoài ứng dụng khác UAV đƣợc quan tâm nhƣ quan sát núi lửa, kiểm tra môi trƣờng, gieo trồng, bảo dƣỡng thiết bị, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp… Quadrotor thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa hoạt động linh hoạt Quadrotor thiết bị bay độc đáo, đƣợc thiết kế với cánh quạt tạo nên lực nâng lớn cho quadrotor Chính thế, mô hình quadrotor đề tài cần đƣợc quan tâm vào nghiên cứu Với mô hình quadrotor nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt, sử dụng để phục vụ cho lợi ích ngƣời Bên cạnh linh động mà cánh quạt tạo đặt nhiều thách thức lớn phƣơng pháp điều khiển Để đảm bảo tính ổn định điều khiển tốt nhiều điều kiện cần bỏ nhiều thời gian thiết kế thử nghiệm, kèm theo sử dụng cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp Qua thực tiễn cho thấy để thiết kế chế tạo thành công sản phẩm quadrotor đòi hỏi ngƣời thực phải nắm đƣợc lý thuyết vững kết hợp với nhiều kinh nghiệm thực tế Từ vấn đề cấp thiết trên, học viên muốn sâu vào nghiên cứu mô hình toán quadrotor từ tiến hành thiết kế thi công mô hình bay thực tế Học viên chọn đề tài: “Điều khiển ổn định hóa quadrotor phương pháp điều khiển trượt” đề tài nghiên cứu Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2 Lịch sử phát triển quadrotor công trình liên quan bật 1.2.1 Lịch sử phát triển quadrotor Chiếc quadrotor giới đời năm 1907 hai anh em nhà khoa học ngƣời Pháp Charles Richet Charles Breguet chế tạo Nó mang tên “Breguet – Richet Gyroplance No 1”hình 1.1 Yêu cầu quadrotor rời khỏi mặt đất với phi công Quadrotor đƣợc điều khiển động xi lanh đƣợc sử dụng để quay cánh quạt Mỗi cánh quạt có cánh Hệ thống dây đai pu-li đƣợc gắn lên nhằm truyền động từ động cho cánh quạt Bộ khung quadrotor đƣợc làm từ ống thép Tổng trọng lƣợng vào khoảng 500kg Lần thử nghiệm diễn Douai – Pháp vào năm 1907 Nó nâng cao khỏi mặt đất 1,5m Hình 1.1 Breguet – Richet Gyroplane No Đến năm 1920, Etienne Oemichen chế tạo quadrotor với cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển tạo lực đẩy hình 1.2 Ban đầu, đƣợc gắn thêm khí cầu để nâng giữ ổn định cho cỗ máy Năm 1924, Oemichen thành công cho quadrotor bay mà không cần trợ giúp khí cầu Sau đó, không đƣợc sử dụng Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.2 Quadrotor Etienne Oemichen Trong năm 1922, Georges de Bothezat Ivan Jerome thành công thiết kế quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ Cỗ máy đƣợc điều khiển cách thay đổi đơn lẻ lúc góc xoắn cánh quạt Ngoài ra, đƣợc gắn thêm cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển Chiếc quadrotor đƣợc đặc tên “Bạch tuột bay” nhƣ hình 1.3 Nhƣng dự án bị hủy bỏ khả bay thấp, giá thành cao Hình 1.3 Bạch tuột bay Từ đó, quadrotor không đƣợc ý nhƣ trƣớc Cho đến năm 1980, quadrotor lại đƣợc quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả mang tải cao giá thành thấp Chiếc Draganflyer X-Pro hãng sáng chế Draganfly quadrotor thƣơng mại điều khiển sóng Radio nhƣ hình 1.4 Nó đƣợc trang bị bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro bay dễ dàng so với trực Trang S K L 0 [...]... muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán của quadrotor và từ đó tiến hành thiết kế và thi công mô hình bay thực tế Học viên đã chọn đề tài: Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt là đề tài nghiên cứu Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2 Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật 1.2.1 Lịch sử phát triển quadrotor Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm... Trang 85 Hình 4.13 Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor Trang 86 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối phần cứng của quadrotor Trang 87 Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình quadrotor Trang 89 Hình 4.16 Giao diện phần mềm STMStudio Trang 91 Hình 4.17 Giao diện giám sát góc quadrotor khi quadrotor cân bằng Trang 91 Hình 4.18 Các góc quadrotor trong trường hợp nghiêng góc... thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức lớn trong phƣơng 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 Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm quadrotor thì đòi hỏi ngƣời thực hiện phải nắm đƣợc... điều khiển góc quadrotor Trang 40 Hình 3.5 Sơ đồ khối luật điều khiển độ cao quadrotor Trang 42 Hình 3.6 Sơ đồ khối quadrotor Trang 46 Hình 3.7.Khối quadrotor Dynamics Trang 47 Hình 3.8.Khối System Input Calculation Trang 47 Hình 3.9.Khối System Input Calculation Trang 48 Hình 3.10.Luật điều khiển U1 Trang 48 Trang xii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.11.Luật điều khiển. .. 102 PHỤ LỤC 1 103 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 103 1 Khai báo, khởi tạo biến và thiết lập thông số cho vi điều khiển hoạt động ……………………………………… ……………………………………103 2 Chƣơng trình đọc tín hiệu từ bộ nhận sóng RF 104 3 Chƣơng trình đọc tín hiệu từ cảm biến và xử lý tín hiệu từ cảm biến 104 4 Thuật điều khiển trƣợt điều khiển quadrotor 105 Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH... Đáp ứng góc độ cao z Trang 67 Hình 3.44 Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 68 Hình 3.45 Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 69 Hình 3.46 Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 70 Hình 3.47 Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 70 Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể quadrotor Trang 73 Hình 4.2 Khung quadrotor Tarot Iron man 650 TI65B01 Trang 75 Hình... 3.20.Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 54 Hình 3.21.Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 54 Hình 3.22.Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 55 Hình 3.23.Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 56 Trạng thái lơ lửng (Từ hình 3.24 đến 3.35) Hình 3.24 Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 57 Hình 3.25 Đáp ứng góc Roll Trang 57 Hình 3.26 Mặt trượt góc lật... Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.29 Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.30 Mặt trượt độ cao z Trang 60 Hình 3.31 Đáp ứng góc độ cao z Trang 60 Hình 3.32 Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 61 Hình 3.33 Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 61 Hình 3.34 Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 62 Hình 3.35 Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor. .. dƣỡng thiết bị, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp… Quadrotor chính là một thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa hoạt động rất linh hoạt Quadrotor là một thiết bị bay độc đáo, đƣợc thiết kế với 4 cánh quạt tạo nên một lực nâng lớn cho quadrotor Chính vì thế, mô hình quadrotor sẽ là đề tài cần đƣợc quan tâm và đi vào nghiên cứu Với một mô hình quadrotor nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh... quadrotor Trang17 Hình 2.10 Hệ quy chiếu quán tính và vật thể (Kivrak, A, 2006) Trang18 Hình 2.11 Lực và moment tác động lên quadrotor Trang22 Hình 3.1 Trạng thái quỹ đạo trong điều khiển trượt Trang31 Hình 3.2 Quỹ đạo pha lý tưởng của hệ bậc 2 chuyển động trên mặt phẳng trượt về gốc tọa độ Trang31 Hình 3.3 Quỹ đạo pha thực tế dao động Trang 35 Hình 3.4 Sơ đồ khối luật điều