Điều khiển ổn định hóa quadrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID

Trang iv TÓM TẮT Quadrotor là một thiết bị bay không người lái, có cấu tạo đơn giản, gồm 4 động cơ có 4 cánh quạt được gắn ở phía cuối của một khung hình chữ thập.. Trong luận văn, mô h

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM ĐÌNH NGÃI

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR

SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 7 6 0

Trang 2

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR SỬ DỤNG BỘ

ĐIỀU KHIỂN MỜ PID

Trang 3

Trang i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 15/6, Đường 6, P Thạnh Mỹ Lợi, Quận 2 Điện thoại riêng: 0974.038.946

E-mail: dinhngaipham@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Ngành học: Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu và thi công tủ điều khiển bộ khởi động mềm ASTAT – XT của GE

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT Tp.HCM

Người hướng dẫn: ThS TRẦN QUANG THỌ

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Công Nghiệp

Trang 4

Trang ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 5

Trang iii

CẢM TẠ

Xin cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM cùng quý Thầy Cô

đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt quá trình học cao hoc

Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài này

Cám ơn lãnh đạo Khoa Điện - Điện Tử và quý Thầy Cô trong khoa đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài này

Cám ơn tất cả các bạn trong khoá học, những người cùng chung chí hướng trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay

Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này

Xin trân trọng gửi lòng tri ân và cảm ơn quý Thầy Cô

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015

Người thực hiện luận văn

Phạm Đình Ngãi

Trang 6

Trang iv

TÓM TẮT

Quadrotor là một thiết bị bay không người lái, có cấu tạo đơn giản, gồm 4 động cơ có 4 cánh quạt được gắn ở phía cuối của một khung hình chữ thập Một UAV quadrotor có những ưu điểm nổi bật như hoạt động linh hoạt, có thể giữ ổn định ở một vị trí trong không gian tốt, cất cánh, bay, và đáp tại khu vực nhỏ, và điều khiển đơn giản

Trong luận văn, mô hình toán học của quadrotor được trình bày một các chi tiết Các phương trình động học và động lực học của quadrotor được xây dựng bằng cách sử dụng phương pháp Newton - Euler Sự chuyển động của quadrotor có thể được chia thành hai hệ thống con; hệ thống góc xoay (các góc nghiêng (roll), góc lật (pitch), góc xoay (yaw)) và một hệ thống dịch chuyển (độ cao Z, và vị trí X, Y)

Bộ điều khiển mờ PID được thiết kế và xây dựng trên mô hình mô phỏng để điều khiển quadrotor Bộ điều khiển mờ PD gồm có 2 đầu vào là sai lệch giữa tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu ra và tốc độ thay đổi của sai lệch đó Các yếu tố đầu vào là các giá trị đặt của chiều cao Z, vị trí X, Y và góc xoay (yaw) Các kết quả đầu ra là lực khí động cần thiết của mỗi cánh quạt để đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn Bộ điều khiển mờ đã được phát triển và xây dựng trên Fuzzy Logic Toolbox của Matlab Các kết quả mô phỏng cho thấy tính khả thi của bộ điều khiển logic mờ PID và sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm

Trang 7

Trang v

ABSTRACT

A quadrotor is an unmanned air vehicle which has four rotors located at the ends of a cross frame A quadrotor UAV which can be highly maneuverable, has the potential to hover and to take off, fly, and land in small areas, and can have simple control mechanisms

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)

Fuzzy PID controler is designed and implemented to control a simulation model

of the quad rotor Each of the controllers works with the error and derivative of error The inputs are the desired values of the yaw, X, Y and height The outputs are the power of each of the four rotors that is necessary to reach the desired specifications Fuzzy PID controllers have been developed and implemented with the Fuzzy Logic Toolbox of Matlab The simulation results able to show the efficiency of the Fuzzy logic PID control strategy and then compared with the experimental results

Trang 8

Trang vi

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 ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 1

1.2.1 Các công trình liên quan nổi bật 2

1.2.1.1 Draganflyer X-Pro (Draganfly) 2

1.2.1.2 Phantom FC40 3

1.2.1.3 MD4-200 (microDrones) 3

1.2.2 Các phương pháp điều khiển quadrotor hiện có 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4 Tóm lược nội dung luận văn 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Cấu tạo và lý thuyết điều khiển quadrotor 8

2.1.1 Cấu tạo quadrotor 8

2.1.2 Lý thuyết điều khiển quadrotor 8

2.2 Mô hình hóa quadrotor 12

2.2.1 Định nghĩa hệ quy chiếu 13

Trang 9

Trang vii

2.2.2 Động học quadrotor 14

2.2.3 Động lực học quadrotor 15

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 23

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ PID 23

3.2 Xây dựng luật điều khiển 25

3.2.1 Bộ điều khiển và 28

3.2.2 Bộ điều khiển và 28

3.2.3 Bộ điều khiển 29

3.3 Mô hình Simulink mô phỏng bộ điều khiển 30

3.3.1 Trường hợp không có tác động nhiễu 30

3.3.2 Trường hợp có tác động nhiễu theo góc xoay Psi 34

3.3.3 Trường hợp có tác động nhiễu theo góc trục X 38

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR 42

4.1 Hệ thống phần cứng 43

4.1.1 Cảm biến độ nghiêng MPU6000 43

4.1.2 Hệ thống khung, động cơ và ESC 44

4.1.2.1 Hệ thống khung 44

4.1.2.2 Động cơ không chổi than brushless (BLDC) và cánh quạt 45

4.1.2.3 Bộ điều tốc ESC và pin Lipo 47

4.1.3 Hệ thống tay cầm điều khiển 48

4.2 Thiết kế và thi công board mạch điều khiển 50

4.3 Phần mềm giám sát khi bay 52

4.4 Bay thử và đánh giá mô hình 54

4.4.1 Về độ cao 54

4.4.2 Về tốc độ 54

Trang 10

Trang viii

4.4.3 Về giao tiếp với tay cầm 55

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 56

5.1 Những kết quả đạt được 56

5.2 Những kết quả chưa đạt được và biện pháp khắc phục 57

5.3 Hướng phát triển của đề tài 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 12

Trang x

 Nm/N Hệ số tỷ lệ giữa mô men động cơ và lực động cơ

Trang 13

Trang xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Draganflyer X-Pro 2

Hình 1.2: Phantom FC40 3

Hình 1.3: Mô hình MD4-200 4

Hình 2.1: Mô hình quadrotor 8

Hình 2.2: Góc xoay roll, pitch, yaw của quadrotor 9

Hình 2.3: Hover 9

Hình 2.4: Throttle 10

Hình 2.5: Roll 10

Hình 2.6: Pitch 11

Hình 2.7: Yaw 11

Hình 2.8: Hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu vật thể 13

Hình 2.9: Lực và moment tác động lên quadrotor 15

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ PD 24

Hình 3.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 24

Hình 3.3: Thứ tự điều khiển 26

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ quadrotor 26

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mờ quadrotor 27

Hình 3.6: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển X và Y 28

Hình 3.7: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển X và Y 28

Hình 3.8: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển và 28

Hình 3.9: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển và 29

Hình 3.10: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển 29

Hình 3.11: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển 29

Hình 3.12: Hàm thuộc đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển 29

Hình 3.13: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển 30

Hình 3.14 : Đáp ứng của đầu ra X 31

Hình 3.15 : Đáp ứng của đầu ra Y 31

Hình 3.16 : Đáp ứng của đầu ra Z 32

Trang 14

Trang xii

Hình 3.17 : Đáp ứng của đầu ra góc nghiêng roll 32

Hình 3.18 : Đáp ứng của đầu ra góc lật pitch 33

Hình 3.19 : Đáp ứng của đầu ra góc xoay yaw 33

Hình 3.20: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mờ quadrotor 34

với hệ thống nhiễu 34

Hình 3.22: Đáp ứng của đầu ra Y 35

Hình 3.28 : Đáp ứng của đầu ra Y 38

Hình 4.1 : Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống phần cứng 42

Hình 4.2: Sơ đồ chân của IC MPU6000 và MPU6050 43

Hình 4.3: Khung quadrotor sử dụng cho mô hình 45

Hình 4.4: Động cơ Emax MT 1804 46

Hình 4.5: Bộ điều tốc ESC HK-SS18A 47

Hình 4.6: Pin LIPO TURNIGY 48

Hình 4.7: Bộ tay cầm Futaba T10J 49

Hình 4.8: Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển 50

Hình 4.9: Board mạch điều khiển thiết kế trên Egale 51

Hình 4.10: Board mạch điều khiển trước lúc hàn linh kiện 51

Hình 4.11: Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor 52

Hình 4.12: Giao diện quản lý góc xoay trong AQ GCS 53

Hình 4.13: Kiểm tra giá trị góc khi đọc tín hiệu từ cảm biến 53

Hình 4.14: Kiểm tra giá trị góc khi đọc tín hiệu từ cảm biến 54

Trang 15

Trang xiii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Luật điều khiển chung cho các bộ điều khiển mờ PD 27

Bảng 3.2 : Các thông số mô phỏng của quadrotor 30

Bảng 3.3: Thông số của các giá trị tín hiệu đặt 30

Bảng 4.1: Thông số của động cơ BLDC MT 1806 46

Trang 16

Trang 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

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

Quadrotor là thiết bị bay không người lái được điều khiển từ xa Ưu điểm chính của thiết bị là có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt….Các nước phát triển trên thế giới đã đi sâu vào nghiên cứu và phát triển trong khoảng một thập niên gần đây nhưng ở Việt nam thì thiết bị bay này chỉ bước đầu được các sinh viên Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp và thực tế chưa đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học cũng như các vấn đề về động học và động lực học

Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm công nghệ thì đòi hỏi người thực hiện phải nắm được lý thuyết vững chắc kết hợp với kinh nghiệm thực tế 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 Từ thực tế cũng chứng minh rằng mô hình quadrotor được nghiên cứu ở Việt nam hiện nay cũng chỉ là các dự án và các đề tài nghiên cứu chưa thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế cuộc sống

Từ những vấn đề cấp thiết nêu trên, người thực hiện đề tài này muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học của quadrotor để từ đó đi đến thiết kế và thi công

mô hình bay thực tế trên những cơ sở khoa học vững chắc

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

Trang 17

Trang 2

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 kế đều có đặc điểm riêng tương ứng với các mục đích chế tạo

và nghiên cứu

1.2.1 Các công trình liên quan nổi bật

Vì tính chất đơn giản trong kết cấu cơ khí và tính linh động trong việc điều khiển cũng như tiềm năng ứng dụng rất lớn vào thực tế của mô hình này mà quadrotor đã và đang được nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu phát triển trở thành sản phẩm thương mại Sau đây tác giả luận văn xin được giới thiệu một vài sản phẩm điển hình

1.2.1.1 Draganflyer X-Pro (Draganfly)

Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực thăng thông thường Khung được làm bằng ống sợi carbon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền X-Pro sử dụng cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng

Hình 1.1: Draganflyer X-Pro

Các thông số kỹ thuật:

Trang 18

Trang 3

1.2.1.2 Phantom FC40

Hình 1.2: Phantom FC40

Phantom FC40 là mô hình quadrotror được sản xuất bởi hãng DJI Được trang

bị với những động cơ độc quyền của DJI vận hành êm, mượt, ít gây nhiễu lên cảm biến, nâng cao độ ổn định, đồng thời tiêu tốn năng lượng ít, kéo dài hơn thời gian thực hiện chuyến bay Bên cạnh đó khung của Phantom FC40 có độ cứng tốt và độ

ổn định cao nhờ sử dụng bộ cân bằng điện tử chuẩn giao tiếp tốc độ cao I2C

1.2.1.3 MD4-200 (microDrones)

MD4-200 là một sản phẩm thương mại nổi tiếng 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 MD4-200 có thể được điều khiển bằng remote hoặc bay tự động bằng GPS, thiết bị có thể bay tới độ cao 1000m

Khung của MD4-200 tất cả đều bằng kim carbon vì thế rất nhẹ và chịu va đập tốt, ngoài ra do làm bằng carbon nên khung của MD4-200 hoạt động như một vỏ bọc có khả năng chống các lại nhiễu điện từ

Trang 19

Trang 4

Hình 1.3: Mô hình MD4-200

1.2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt nam thì thiết bị bay này chỉ bước đầu được các sinh viên Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp

và thực tế chưa đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học cũng như các vấn đề về động học và động lực học

Năm 2009, công trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” do kỹ sư

Lê Công danh, giảng viên Khoa Cơ Khí trường ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.HCM làm chủ nhiệm, kỹ sư Phạm Ngọc Huy là người nghiên cứu chính, đã được nghiệm thu tại Sở Khoa Hoc – Công Nghệ Tp.HCM Để đảm bảo độ nhẹ của mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật lieuj là nhôm và sợi carbon để chế tạo khung máy bay So với các máy nay mô hình đang bán trên thị trường, sản phẩm này có mạch điện điều khiển phức tạp hơn, giúp người sử dụng dễ dàng điều khiển hơn, người chưa sử dụng bao giờ cũng có thể điều khiển được

Trong năm 2010, từ thành công của kỹ sư Phạm Ngọc Huy Việc chế tạo quadrotor đã trở thành trào lưu lớn trong các nhóm chơi máy bay mô hình Kết quả

là nhiều máy bay quadrotor đã bay lên thành công từ những người đam mê mô hình Tuy nhiên, do hệ thống cảm biến chỉ dùng gryoscope đo chuyển động theo 3 trục, không có cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy ra hiện tượng “trôi”, khả năng bay của mô hình vẫn phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm của người điều khiển

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	4,1 MB