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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 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 ĐÌNH NGÃI ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 520202 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 ĐÌNH NGÃI Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 1989 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Tân Hộ Cơ – Tân Hồng - Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 15/6, Đƣờng 6, P Thạnh Mỹ Lợi, Quận Điện thoại riêng: 0974.038.946 E-mail: dinhngaipham@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: Nghiên cứu thi công tủ điều khiển khởi động mềm ASTAT – XT GE Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS TRẦN QUANG THỌ III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 07/2012 – 04/2015 Công ty SVProbe Việt Nam Kỹ Sƣ Thiết Kế Giảng viên Bộ Môn Điện Công Nghiệp 04/2015 - Nay Trƣờng CĐKT Cao Thắng Trang i 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 Xin cảm ơn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM quý Thầy Cô tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp suốt trình học cao hoc Với lòng tri ân sâu sắc, muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA, ngƣời nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho suốt thời gian thực nghiên cứu đề tài Cám ơn lãnh đạo Khoa Điện - Điện Tử quý Thầy Cô khoa giúp đỡ trình thực đề tài Cám ơn tất bạn khoá học, ngƣời chung chí hƣớng đƣờng tri thức để tất có đƣợc kết ngày hôm Cảm ơn gia đình ngƣời thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Xin trân trọng gửi lòng tri ân cảm ơn quý Thầy Cô Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực luận văn Phạm Đình Ngãi Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Quadrotor thiết bị bay không ngƣời lái, có cấu tạo đơn giản, gồm động có cánh quạt đƣợc gắn phía cuối khung hình chữ thập Một UAV quadrotor có ƣu điểm bật nhƣ hoạt động linh hoạt, giữ ổn định vị trí không gian tốt, cất cánh, bay, đáp khu vực nhỏ, điều khiển đơn giản Trong luận văn, mô hình toán học quadrotor đƣợc trình bày chi tiết Các phƣơng trình động học động lực học quadrotor đƣợc xây dựng cách sử dụng 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) Bộ điều khiển mờ PID đƣợc thiết kế xây dựng mô hình mô để điều khiển quadrotor Bộ điều khiển mờ PD gồm có đầu vào sai lệch tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu tốc độ thay đổi sai lệch Các yếu tố đầu vào giá trị đặt chiều cao Z, vị trí X, Y góc xoay (yaw) Các kết đầu lực khí động cần thiết cánh quạt để đạt đƣợc thông số kỹ thuật mong muốn Bộ điều khiển mờ đƣợc phát triển xây dựng Fuzzy Logic Toolbox Matlab Các kết mô cho thấy tính khả thi điều khiển logic mờ PID sau so sánh với kết thực nghiệm Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ 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 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 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan .1 1.2.1 Các công trình liên quan bật .2 1.2.1.1 Draganflyer X-Pro (Draganfly) 1.2.1.2 Phantom FC40 1.2.1.3 MD4-200 (microDrones) 1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor có .5 1.3 Phạm vi nghiên cứu .6 1.4 Tóm lƣợc nội dung luận văn CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu tạo lý thuyết điều khiển quadrotor 2.1.1 Cấu tạo quadrotor 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 vi LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.2.2 Động học quadrotor 14 2.2.3 Động lực học quadrotor 15 CHƢƠNG 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 28 3.2.2 Bộ điều khiển .28 3.2.3 Bộ điều khiển 29 3.2.3 Bộ điều khiển 29 3.3 Mô hình Simulink mô điều khiển 30 3.3.1 Trƣờng hợp tác động nhiễu 30 3.3.2 Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc xoay Psi 34 3.3.3 Trƣờng hợp có tác động nhiễu theo góc trục X .38 CHƢƠNG 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 ESC 44 4.1.2.1 Hệ thống khung 44 4.1.2.2 Động không chổi than brushless (BLDC) cánh quạt 45 4.1.2.3 Bộ điều tốc ESC pin Lipo 47 4.1.3 Hệ thống tay cầm điều khiển 48 4.2 Thiết kế thi công board mạch điều khiển 50 4.3 Phần mềm giám sát bay 52 4.4 Bay thử đánh giá mô hình 54 4.4.1 Về độ cao 54 4.4.2 Về tốc độ .54 Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.4.3 Về giao tiếp với tay cầm .55 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 56 5.1 Những kết đạt đƣợc 56 5.2 Những kết chƣa đạt đƣợc biện pháp khắc phục 57 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 Trang viii LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả X m Vị trí dài theo trục Y m Vị trí dài theo trục Z m Vị trí dài theo trục rad Góc roll (xoay quanh trục X) rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) rad Góc yaw (xoay quanh trục Z) m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục m/s Vận tốc dài theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục rad/s Vận tốc góc theo trục m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H - Vector lực tổng quát N Vector lực theo hệ quy chiếu E N Vector lực theo hệ quy chiếu B N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu H - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ N Lực nâng theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn roll theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn pitch theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn yaw theo hệ quy chiếu B Nm Moment xoắn theo hệ quy chiếu B - Ma trận xoay - Ma trận tịnh tiến - Ma trận tổng quát - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu B - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu B - Ma trận Coriolis hƣớng tâm theo hệ quy chiếu H rad/s Vector tốc độ cánh quạt rad/s Tốc độ cánh quạt trƣớc rad/s Tốc độ cánh quạt phải rad/s Tốc độ cánh quạt sau 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 Nm/N Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm động Hệ số tỷ lệ mô men động lực động Trang x LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Draganflyer X-Pro .2 Hình 1.2: Phantom FC40 Hình 1.3: Mô hình MD4-200 Hình 2.1: Mô hình quadrotor Hình 2.2: Góc xoay roll, pitch, yaw quadrotor .9 Hình 2.3: Hover 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 hệ quy chiếu vật thể .13 Hình 2.9: Lực moment tác động lên quadrotor 15 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ PD 24 Hình 3.2: Cấu trúc 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 hệ thống điều khiển mờ quadrotor .27 Hình 3.6: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển X Y 28 Hình 3.7: Hàm thuộc đầu điều khiển X Y 28 Hình 3.8: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển Hình 3.9: Hàm thuộc đầu điều khiển 29 Hình 3.10: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển Hình 3.11: Hàm thuộc đầu điều khiển 28 29 .29 Hình 3.12: Hàm thuộc đầu vào sai số tốc độ sai số điều khiển .29 Hình 3.13: Hàm thuộc đầu điều khiển .30 Hình 3.14 : Đáp ứng đầu X 31 Hình 3.15 : Đáp ứng đầu Y 31 Hình 3.16 : Đáp ứng đầu Z .32 Trang xi LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.17 : Đáp ứng đầu góc nghiêng roll .32 Hình 3.18 : Đáp ứng đầu góc lật pitch 33 Hình 3.19 : Đáp ứng đầu góc xoay yaw 33 Hình 3.20: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mờ quadrotor 34 với hệ thống nhiễu .34 Hình 3.21 : Đáp ứng đầu X 35 Hình 3.22: Đáp ứng đầu Y .35 Hình 3.23 : Đáp ứng đầu Z .36 Hình 3.24 : Đáp ứng đầu góc nghiêng roll .36 Hình 3.25 : Đáp ứng đầu góc lật pitch 37 Hình 3.26 : Đáp ứng đầu góc xoay yaw 37 Hình 3.27 : Đáp ứng đầu X 38 Hình 3.28 : Đáp ứng đầu Y 38 Hình 3.29 : Đáp ứng đầu Z .39 Hình 3.30 : Đáp ứng đầu góc nghiêng roll .39 Hình 3.31 : Đáp ứng đầu góc lật pitch 40 Hình 3.32 : Đáp ứng đầu góc xoay yaw 40 Hình 4.1 : Sơ đồ khối tổng thể hệ thống phần cứng 42 Hình 4.2: Sơ đồ chân IC MPU6000 MPU6050 .43 Hình 4.3: Khung quadrotor sử dụng cho mô hình 45 Hình 4.4: Động 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 Egale 51 Hình 4.10: Board mạch điều khiển trƣớc lúc hàn linh kiện .51 Hình 4.11: Khối tay cầm điều khiển mô hình quadrotor 52 Hình 4.12: Giao diện quản lý góc xoay AQ GCS 53 Hình 4.13: Kiểm tra giá trị góc đọc tín hiệu từ cảm biến 53 Hình 4.14: Kiểm tra giá trị góc đọc tín hiệu từ cảm biến 54 Trang xii LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Luật điều khiển chung cho điều khiển mờ PD 27 Bảng 3.2 : Các thông số mô quadrotor 30 Bảng 3.3: Thông số giá trị tín hiệu đặt 30 Bảng 3.4: Thông số giá trị tín hiệu đặt 34 Bảng 3.5: Thông số giá trị tín hiệu đặt 38 Bảng 4.1: Thông số động BLDC MT 1806 46 Trang xiii LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Đặt vấn đề 1.1 Các thiết bị bay từ lâu ngành khoa học hàng đầu đƣợc ngƣời đầu tƣ phát triển mạnh mẽ Trong thiết bị bay có ngƣời lái có lịch sử phát triển lâu dài nhƣ thống trị ngành hàng không dân dụng quân Bên cạnh thiết bị bay không ngƣời lái mở hƣớng phát triển mạnh mẽ dài hạn cho tƣơng lai, tỏ chiếm ƣu rõ rệt lĩnh vực quan sát, thám, tiếp cận nơi ngƣời không đặt chân tới đƣợc Quadrotor thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc điều khiển từ xa Ƣu điểm thiết bị có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt….Các nƣớc phát triển giới sâu vào nghiên cứu phát triển khoảng thập niên gần nhƣng Việt nam thiết bị bay bƣớc đầu đƣợc sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, thực đề tài tốt nghiệp thực tế chƣa sâu vào nghiên cứu mô hình toán học nhƣ vấn đề động học động lực học Qua thực tiễn cho thấy để thiết kế chế tạo thành công sản phẩm công nghệ đòi hỏi ngƣời thực phải nắm đƣợc lý thuyết vững kết hợp với kinh nghiệm thực tế 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 Từ thực tế chứng minh mô hình quadrotor đƣợc nghiên cứu Việt nam dự án đề tài nghiên cứu chƣa thể ứng dụng rộng rãi thực tế sống Từ vấn đề cấp thiết nêu trên, ngƣời thực đề tài muốn sâu vào nghiên cứu mô hình toán học quadrotor để từ đến thiết kế thi công mô hình bay thực tế sở khoa học vững 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Trên giới nƣớc có nhiều trƣờng đại học, nhóm nghiên cứu sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tƣơng tự mô hình Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ quadrotor luận văn, nghiên cứu đa dạng, từ mô hình sâu vào tối ƣu hóa kích thƣớc nhỏ gọn nhẹ nhàng tới mô hình đặt vấn đề độ vững với thiết kế cứng cáp vững vàng bù lại nặng nề tiêu hao lƣợng lớn Mỗi thiết kế có đặc điểm riêng tƣơng ứng với mục đích chế tạo nghiên cứu 1.2.1 Các công trình liên quan bật Vì tính chất đơn giản kết cấu khí tính linh động việc điều khiển nhƣ tiềm ứng dụng lớn vào thực tế mô hình mà quadrotor đƣợc nhiều hãng giới nghiên cứu phát triển trở thành sản phẩm thƣơng mại Sau tác giả luận văn xin đƣợc giới thiệu vài sản phẩm điển hình 1.2.1.1 Draganflyer X-Pro (Draganfly) Chiếc Draganflyer X-Pro hãng Draganfly, quadrotor thƣơng mại điều khiển sóng radio Nó đƣợc trang bị bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro bay dễ dàng so với trực thăng thông thƣờng Khung đƣợc làm ống sợi carbon có trọng lƣợng nhẹ nhƣng đủ bền XPro sử dụng cảm biến góc Gyro để giữ thăng Hình 1.1: Draganflyer X-Pro Các thông số kỹ thuật:  Có thể nâng đƣợc tối đa 1360g  Đƣợc điều khiển vô tuyến kênh FM (PCM) Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ  Khung carbon  Vận hành pin 6000mAh 14.8V Thời gian bay 20 phút  Có mang theo camera để gian sát chụp không ảnh 1.2.1.2 Phantom FC40 Hình 1.2: Phantom FC40 Phantom FC40 mô hình quadrotror đƣợc sản xuất hãng DJI Đƣợc trang bị với động độc quyền DJI vận hành êm, mƣợt, gây nhiễu lên cảm biến, nâng cao độ ổn định, đồng thời tiêu tốn lƣợng ít, kéo dài thời gian thực chuyến bay Bên cạnh khung Phantom FC40 có độ cứng tốt độ ổn định cao nhờ sử dụng cân điện tử chuẩn giao tiếp tốc độ cao I2C 1.2.1.3 MD4-200 (microDrones) MD4-200 sản phẩm thƣơng mại tiếng khả giữ thăng di chuyển hoàn hảo, đổi hƣớng không bị thăng bằng, kết hợp với camera máy chụp hình có độ phân giải cao, kèm theo cấu chống rung cho thiết bị ghi hình, liệu đƣợc mô hình ghi lại sắc nét không bị rung MD4-200 đƣợc điều khiển remote bay tự động GPS, thiết bị bay tới độ cao 1000m Khung MD4-200 tất kim carbon nhẹ chịu va đập tốt, làm carbon nên khung MD4-200 hoạt động nhƣ vỏ bọc có khả chống lại nhiễu điện từ Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.3: Mô hình MD4-200 1.2.1.4 Tình hình nghiên cứu nƣớc Ở Việt nam thiết bị bay bƣớc đầu đƣợc sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, thực đề tài tốt nghiệp thực tế chƣa sâu vào nghiên cứu mô hình toán học nhƣ vấn đề động học động lực học Năm 2009, công trình “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả tự cân di chuyển nhà” kỹ sƣ Lê Công danh, giảng viên Khoa Cơ Khí trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.HCM làm chủ nhiệm, kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy ngƣời nghiên cứu chính, đƣợc nghiệm thu Sở Khoa Hoc – Công Nghệ Tp.HCM Để đảm bảo độ nhẹ mô hình, nhóm nghiên cứu sử dụng vật lieuj nhôm sợi carbon để chế tạo khung máy bay So với máy mô hình bán thị trƣờng, sản phẩm có mạch điện điều khiển phức tạp hơn, giúp ngƣời sử dụng dễ dàng điều khiển hơn, ngƣời chƣa sử dụng điều khiển đƣợc Trong năm 2010, từ thành công kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy Việc chế tạo quadrotor trở thành trào lƣu lớn nhóm chơi máy bay mô hình Kết nhiều máy bay quadrotor bay lên thành công từ ngƣời đam mê mô hình Tuy nhiên, hệ thống cảm biến dùng gryoscope đo chuyển động theo trục, cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy tƣợng “trôi”, khả bay mô hình phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngƣời điều khiển Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Ở trƣờng đại học, nhiều sinh viên năm 3-4 chọn quadrotor làm đề tài nghiên cứu, thoã mãn nhu cầu học tập Tuy nhiên, kết đồ án náy chƣa đƣợc mỹ mãn Do khó khăn hạn chế nhƣ thời gian tiếp xúc, nghiên cứu, tìm hiểu ngắn, thiếu kinh nghiệm lĩnh vực thiết bị bay nên tồn sinh viên chƣa khắc phục đƣợc Hiện cẫn số đề tài mà mô hình chƣa bay lên thành công Điển hình nhƣ nhóm sinh viên ngành Cơ Điện Tử trƣờng ĐH Công Nghiệp Hà Nội không khắc phục đƣợc vấn đề nhiễu cảm biến gia tốc, dùng tín hiệu gryoscope để điều khiển nên mô hình chƣa thể bay cân 1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor có Hệ thống quadrotor đối tƣợng nghiên cứu phổ biến thời gian gần Nó vốn hệ thống phi tuyến không ổn định, chứa nhiều thành phần bất định nhƣ động học không mô hình, biến thiên thông số nhiễu loạn Có nhiều lý thuyết phƣơng pháp thiết kế cân hệ thống quadrotor công bố thập niên qua Điển hình phƣơng pháp điều khiển PID LQR Tác giả Tommaso Bresciani tài liệu tham khảo [4] sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao quadrotor bay chế độ lơ lửng Bộ điều khiển đƣợc thiết kế dựa mô hình phi tuyến quadrotor điểm cắt quadrotor trạng thái lơ lững Bộ điều khiển đƣợc phát triển sử dụng mô hình mô không phi tuyến (Matlab simulink model) Kết điều khiển ổn định vật lý giây, nhiên hệ thống không ổn định môi trƣờng nhiều tác động nhiễu Trong tài liệu tham khảo [6], nhóm tác giả thực điều khiển LQR để điều khiển quadrotor Kết mô đạt yêu cầu, nhƣng khí có nhiễu loạn lớn điều khiển ổn định hóa hệ thống Kết phƣơng pháp trả khả thi, điều khiển cho kết mô thực nghiệm tốt, nhiên có tác động nhiễu hệ thống không ổn định việc xác đinh giá trị P, I, D, L, Q, R phƣơng pháp PID LQR tốn nhiều thời gian đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong năm gần phƣơng pháp thiết kế phi tuyến nhƣ điều khiển backsteping (điều khiển chiếu), điều khiển trƣợt, điều khiển ổn định hóa vào ra, Fuzzy logic… đƣợc tập trung nghiên cứu ứng dụng mạnh Nhóm tác giả Ashfaq Ahmad Mian and Wang Daobo tài liệu tham khảo [9] tiến hành xây dựng điều khiển chiếu kết mô Matlab Simulink model khả quan Bộ điều khiển đạt độ ổn định cao, trì đƣợc góc roll, pitch, yaw nhanh chóng bám theo tín hiệu đặt ban đầu hệ thống Tuy nhiên 50% lần thử nghiệm bay thực tế lại thất bại Với yêu cầu điều khiển thăng đạt chất lƣợng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo an toàn bay nên việc chọn điều khiển quan trọng Luận văn tham vọng đề xuất cách điều khiển hoàn toàn mà giải mức độ tổng hợp công trình nghiên cứu trƣớc kết hợp với tài liệu móng điều khiển kể điều khiển tuyến tính điều khiển phi tuyến, lựa chọn phƣơng án phù hợp, điều chỉnh hệ số, thay đổi kết cấu điều khiển để phù hợp với quadrotor thử nghiệm So sánh nhiều điều khiển nhƣ PID, LQR, Lyapunov, điều khiển mờ, điều khiển chiếu, điều khiển trƣợt… học viên định tiến tới thực đề tài điều khiển bền vững quadtrotor sử dụng điều khiển mờ PID Mục đích phƣơng pháp tác giả luận văn muốn khắc phục nhƣợc điểm mà điều khển PID kinh điển khắc phục đƣợc Mục tiêu luận văn hƣớng tới điều khiển ổn định mô hình bám theo tín hiệu đặt X, Y, độ cao Z góc xoay Yaw 1.3 Phạm vi nghiên cứu Đề tài quadrotor đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực nhƣ: thiết kế khí, động lực học, khí động học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, điều khiển, truyền thông, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển Để điều khiển quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới tín hiệu điều khiển độc lập cho cánh mô hình Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai đa dạng Sau thời gian tìm hiểu thí nghiệm với nhiều điều khiển, học viên định tiến tới thực đề tài điều khiển ổn định hóa quadtrotor sử dụng điều khiển mờ PID Luận văn sâu vào thí nghiệm tìm thông số cho điều khiển, từ lấy số liệu đáp ứng đầu ra, thống kê số liệu để tạo điều kiện cho nghiên cứu Trang S K L 0 [...]... 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. .. pháp điều khiển PID và LQR Tác giả Tommaso Bresciani trong tài liệu tham khảo [4] đã sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao của quadrotor khi bay ở chế độ lơ lửng Bộ điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên mô hình phi tuyến của quadrotor tại điểm cắt khi quadrotor ở trạng thái lơ lững Bộ điều khiển đƣợc phát triển sử dụng mô hình mô phỏng không phi tuyến (Matlab simulink model) Kết quả là bộ điều khiển. .. điều khiển hoàn toàn mới mà chỉ giải quyết ở mức độ tổng hợp các công trình nghiên cứu trƣớc đây và kết hợp với các tài liệu nền móng về điều khiển kể cả điều khiển tuyến tính và điều khiển phi tuyến, lựa chọn ra các phƣơng án phù hợp, điều chỉnh các hệ số, thay đổi kết cấu của mỗi bộ điều khiển để phù hợp với quadrotor thử nghiệm So sánh rất nhiều bộ điều khiển nhƣ PID, LQR, Lyapunov, điều khiển mờ, ... PID, LQR, Lyapunov, điều khiển mờ, điều khiển cuốn chiếu, điều khiển trƣợt… học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển bền vững quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID Mục đích của phƣơng pháp này là tác giả luận văn muốn khắc phục các nhƣợc điểm mà bộ điều khển PID kinh điển không thể khắc phục đƣợc Mục tiêu của luận văn là hƣớng tới điều khiển ổn định mô hình bám theo tín hiệu đặt X,... triển khai cũng rất đa dạng Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển ổn định hóa quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID Luận văn sẽ đi sâu vào thí nghiệm tìm thông số cho bộ điều khiển, từ đó lấy số liệu về đáp ứng đầu ra, thống kê số liệu để tạo điều kiện cho những nghiên cứu tiếp theo Trang 6 S K L 0 0 2 1 5 4 ... điều khiển đã ổn định vật lý trong 3 giây, tuy nhiên hệ thống không ổn định trong môi trƣờng nhiều tác động nhiễu Trong tài liệu tham khảo [6], nhóm tác giả đã thực hiện bộ điều khiển LQR để điều khiển quadrotor Kết quả mô phỏng là đạt yêu cầu, nhƣng khí có sự nhiễu loạn lớn thì bộ điều khiển đã không thể ổn định hóa hệ thống Kết quả của 2 phƣơng pháp này trả về là rất khả thi, bộ điều khiển cho kết... đầu vào sai số và tốc độ sai số của bộ điều khiển 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 Hình 3.11: Hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển và 28 29 .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... hệ thống không còn ổn định và việc xác đinh giá trị P, I, D, L, Q, R trong phƣơng pháp PID và LQR tốn nhiều thời gian và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong những năm gần đây các phƣơng pháp thiết kế phi tuyến nhƣ điều khiển backsteping (điều khiển cuốn chiếu), điều khiển trƣợt, điều khiển ổn định hóa vào ra, Fuzzy logic… đƣợc tập trung nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh Nhóm... 1.3 Phạm vi nghiên cứu Đề tài quadrotor là một đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp ở nhiều lĩnh vực nhƣ: thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, điều khiển, truyền thông, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển Để điều khiển một quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới 4 tín hiệu điều khiển độc lập cho 4 cánh của mô hình Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai... 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 Từ thực tế cũng chứng minh rằng mô hình quadrotor đƣợc nghiên cứu ở Việt nam hiện nay cũng chỉ là các dự án và các đề tài nghiên cứu chƣa thể ứng dụng rộng rãi trong thực