Đề xuất bộ điều khiển Fuzzy - PD cho thiết bị bay không người lái (UAV - Unmanned aerial vehicle) design of Fuzzy - PD controller for UAV (Unmanned aerial vehicle)

Bài viết trình bày về mô hình toán học của máy bay bốn cánh (quadcopter) được mô tả bằng cách sử dụng các phương trình Euler-Newton. Bài viết trình bày về vấn đề điều khiển bay ổn định và điều khiển bám quỹ đạo đặt cho UAV sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ lai Fuzzy - PD.

CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY- PD CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV - UNMANNED AERIAL VEHICLE) DESIGN OF FUZZY - PD CONTROLLER FOR UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE) ĐỖ KHẮC TIỆP Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: dokhactiep@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong năm gần thiết bị bay không người lái nghiên cứu phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu mơ hình hóa điều khiển UAV tăng lên nhanh chóng Bài báo trình bày mơ hình tốn học máy bay bốn cánh (quadcopter) mô tả cách sử dụng phương trình Euler-Newton Bài báo trình bày vấn đề điều khiển bay ổn định điều khiển bám quỹ đạo đặt cho UAV sử dụng điều khiển PID truyền thống điều khiển mờ lai Fuzzy - PD Trong báo Matlab/Simulink sử dụng để mô hoạt động UAV, đặc tính thu sau mơ sử dụng để kiểm tra, phân tích so sánh hoạt động điều khiển truyền thống PID với điều khiển mờ lai Fuzzy-PD Từ kết nghiên cứu cho thấy hai điều khiển PID FuzzyPD thực việc điều khiển UAV nhiên điều khiển mờ lai FuzzyPD thực việc điều khiển nhanh chóng xác Từ khóa: Thiết bị bay không người lái, điều khiển logic mờ, điều khiển PID, Matlab/Simulink Abstract The studies on UAV modeling and control have been increased rapidly recently This paper presents the modeling of the quadcopter will be described by using Euler-Newton equations In order to stable the quadcopter and control the attitude of that, classical PID controller and a fuzzy system that adjust the PD controller gains, have been designed Matlab Simulink has been used to test, analyze and compare the performance of the controllers in simulations This study showed that although, both of the classical PID and the Fuzzy - PD controllers, can control the system properly, the second controller performed better than the classical PID controller Keywords: UAV, fuzzy controller, PID controller, Matlab/Simulink Giới thiệu Bài báo trình bày thuật tốn điều khiển F-PID để ổn định độ cao bám quỹ đạo máy bay không người lái (UAV) [1, 2] Hoạt động UAV thường không ổn định chịu tác động nhiều yếu tố bên việc thực điều khiển độ cao điều khiển bám quỹ đạo đặt đóng vai trò quan trọng Chính tác giả đề xuất thuật toán điều khiển độ cao bám quỹ đạo UAV sử dụng điều khiển F-PID, tức sử dụng điều khiển mờ để cập nhật trực tuyến tham số điều khiển PID Cách tiếp cận biến điều khiển PID thông thường thành điều khiển PID động (các hệ số KP, KI, KD cập nhật liên tục nhờ điều khiển mờ) Thuật tốn mờ lai thích nghi điều khiển PID mô Matlab/Simulink Các kết thu từ hai điều khiển sau tiến hành mô so sánh với để người đọc nhận thấy khác áp dụng hai điều khiển UAV Mơ hình động học máy bay khơng người lái Để tìm hiểu mơ hình động học UAV trước tiên ta tiến hành xác định hệ tọa độ sử dụng Trên Hình ta có hệ tọa độ Oxyz hệ tọa độ toàn cục (earth reference frame) cố định vị trí mặt đất OBXBYBZB hệ tọa độ cục (body reference frame) gắn trung tâm UAV với trục XB hướng động số (Front motor), trục YB hướng động số (Right motor), trục ZB hướng xuống đất Một UAV thường bao gồm chuyển động: chuyển động lên/xuống (attitude), chuyển động quanh trục x - roll movement, chuyển động quanh trục y- pitch movement chuyển động quanh trục z- yaw movement Bằng cách thay đổi tốc độ động ta tạo chuyển động UAV Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 63 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Hình Cấu hình hệ tọa độ UAV Mơ hình động học UAV mô tả thông qua biểu thức Newton - Euler Phương trình động học biểu diễn sau [4-5]:  pn  c c d    pe  s s dt     h   s s c s  c s s c s  c s c s c c s  s s   u   c c s  s s   v    w  c c  −𝑔𝑠𝜃 𝑟𝑣 − 𝑞𝑤 𝑢̇ 𝑔𝑐 𝑝𝑤 − 𝑟𝑢 [ 𝑣̇ ] = [ ] + [ 𝜃 𝑠∅ ] + [ ] 𝑚 𝑔𝑐𝜃 𝑐∅ 𝑞𝑢 − 𝑝𝑣 𝑤̇ −𝐹  Jy  Jz  1  qr        Jx   Jx   p    q    J z  J x pr            J   Jy  y  r       J x  J y pq      J z   J z   (1) (2) (3) Trong đó: pn - vị trí cực Bắc UAV hệ tọa độ trái đất; pe - vị trí cực Nam UAV hệ tọa độ trái đất; h - độ cao UAV hệ tọa độ trái đất; u,v,w - vận tốc UAV dọc theo trục x, trục y, trục z;  ,  , - góc quay quanh trục x (Roll angle), góc quay quanh trục y (Pitch angle), góc quay quanh trục z (Yaw angle); p, q, r - vận tốc quay quanh trục x, trục y, trục z; g - gia tốc trọng trường; c - cosin; s - sin Thiết kế điều khiển Fuzzy - PD cho UAV Bộ điều khiển PD có hàm truyền dạng: 𝐺(𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝑠 𝐾𝑑 (4) Với KP KD hệ số khâu khuếch đại khâu vi phân; s toán tử laplace Bộ điều khiển mờ (FLC) Tagaki- Sugeno thực điều chỉnh trực tuyến hệ số điều khiển PD [2] Bộ điều khiển mờ lai với đầu vào sai số ‘e’ góc quay vi phân sai số ‘ce’, trình sử dụng để xác định thông số điều khiển Phép biến đổi tuyến tính sử dụng cho phép xác định tham số KP,KD điều khiển PD theo công thức: 𝐾𝑑 = (𝐾𝑑𝑚𝑎𝑥 − 𝐾𝑑𝑚𝑖𝑛 )𝐾𝑑′ + 𝐾𝑑𝑚𝑖𝑛 (5) 64 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 𝐾𝑝 = (𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 − 𝐾𝑝𝑚𝑖𝑛 )𝐾𝑝′ + 𝐾𝑝𝑚𝑖𝑛 (6) Với [ 𝐾𝑝𝑚𝑖𝑛 ; 𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 ] [ 𝐾𝑑𝑚𝑖𝑛 ; 𝐾𝑑𝑚𝑎𝑥 ] xác định dải giá trị tương ứng của: KP = [1÷4] KD = [1÷ 10] Bộ điều khiển mờ sử dụng nghiên cứu dựa quy tắc mờ Tagaki- Sugeno Quy tắc điển hình quy tắc mờ Sugeno có dạng: ‘If Input = x and Input = y, then Output is z = ax + by + c ’ Trajectory Generation xd , yd , zd PD Kinematics Controller d ,d , d PD Attitude Controller Atuators Quadcopter Dynamic Fuzzy Controller  ,  , x, y , z Hình Sơ đồ khối điều khiển Fuzzy - PD cho UAVs Cấu trúc điều khiển Fuzzy - PD cho UAV mô tả Hình 2, ban đầu khối tạo quỹ đạo thiết lập quỹ đạo đặt theo tham số người điều khiển, sau điều khiển thực điều khiển UAV bay theo quỹ đạo đặt trước Bộ điều khiển mờ lai Fuzzy - PD với đầu vào sai lệch ‘e’ vi phân sai lệch ‘ce’ với giá trị tập mờ có mối quan hệ theo Bảng 1, đó: Z(Zero), NS(Negative Small), NM(Negative Medium), NB(Negative Big), PB(Positive Big), PM(Positive Medium), PS(Positive Small) Đầu điều khiển bao gồm giá trị: B(big), M(Medium), S(Small), Z(zero) Bảng Bảng quy tắc mờ cho KP/ KD e/ce NB NM NS Z PS PM PB NB B/B B/B B/B B/B B/B B/B B/B NM S/M B/M B/B B/B B/B B/M S/M NS S/S S/M B/M B/B B/M B/M S/S Z S/Z S/S B/M B/B S/M S/S S/Z PS S/S S/M B/M B/B B/M S/M S/S PM S/M B/M B/B B/B B/B B/M S/M PB B/B B/B B/B B/B B/B B/B B/B Hình Cấu trúc điều khiển Fuzzy Matlab Hình Bộ điều khiển mờ lai (F-PD) cho góc Φ Hình mơ tả cấu trúc điều khiển Fuzzy - PD cho góc Φ UAV, điều khiển cho góc θ,Ψ có cấu trúc tương tự Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 65 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Kết mô Để tiến hành kiểm nghiệm đánh giá điều khiển F-PD đề xuất tác giả tiến hành mô UAV thực hoạt động bám quỹ đạo đặt sử dụng phần mềm Matlab/Simulink với UAV có thơng số cho trước trình bày Bảng [4-5] Bảng Thông số UAV Parameter Thông số Khối lượng UAV (m) Gia tốc trọng trường (g) Độ dài cánh UAV (l) Quán tính quay (Jr) Quán tính quanh dọc theo trục x (Jxx) Quán tính quanh dọc theo trục y (Jyy) Quán tính quanh dọc theo trục z (Jzz) Hình Sai lệch vị trí UAV với điều khiển Fuzzy - PD Giá trị 9,8 0,24 104x10-6 8,1x10-3 8,1x10-3 14,2x10-3 Đơn vị 𝑘𝑔 𝑚/𝑠 𝑚 𝑘𝑔𝑚2 𝑘𝑔𝑚2 𝑘𝑔𝑚2 𝑘𝑔𝑚2 Hình Sai lệch vị trí UAV với điều khiển PD Hình Hình mơ tả sai lệch bám quỹ đạo UAV ứng với điều khiển Fuzzy - PD điều khiển PD truyền thống Từ hình vẽ ta thấy sai lệch bám quỹ đạo UAV với điều khiển Fuzzy - PD nhỏ so với sai lệch bám quỹ đạo UAV với điều khiển PD truyền thống Căn bậc trung bình bình phương (RMS - Root Mean Square) sai lệch bám quỹ đạo UAV với điều khiển Fuzzy - PD 2,49(m) RMS sai lệch bám quỹ đạo UAV với PD 3,03(m) Hình Mơ bám quỹ đạo đặt UAV với điều khiển Fuzzy - PD 66 Hình Mơ bám quỹ đạo đặt UAV với điều khiển PD Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Kết mô hoạt động UAV thực bám quỹ đạo đặt với điều khiển Fuzzy PD điều khiển PD truyền thống mô tả Hình 7, Từ Hình Hình nhận thấy UAV với điều khiển Fuzzy - PD thực bám quỹ đạo đặt trước với độ xác cao so với điều khiển PD truyền thống Từ kết mô thấy, UAV với điều khiển Fuzzy - PD hoạt động hiệu điều khiển PD truyền thống Nói cách khác UAV áp dụng điều khiển Fuzzy - PD thực bay bám quỹ đạo đặt trước xác trường hợp UAV với PD truyền thống Kết luận Bài báo trình bày mơ hình tốn học UAV, đồng thời xây dựng thành công điều mờ lai Fuzzy - PD áp dụng cho UAV chế độ bay theo quỹ đạo đặt trước Việc áp dụng điều khiển Fuzzy - PD cho phép UAV hoạt động cách linh hoạt hiệu với độ xác tương đối cao Kết mô hoạt động UAV thực bám quỹ đạo với điều khiển PD điều khiển Fuzzy - PD tiến hành Matlab/Simulink Bộ điều khiển Fuzzy phi tuyến mà phù hợp cho việc điều khiển hệ thống phi tuyến UAV Từ kết phần mô ta thấy UAV với điều khiển mờ lai Fuzzy - PD hoạt động với độ xác cao so với điều khiển PD truyền thống Ưu điểm lớn điều khiển Fuzzy - PD giúp cho UAV thực bám xác quỹ đạo đặt trước, điều chỉnh trình thực bám quỹ đạo nhỏ nhiều so với điều khiển PD truyền thống Từ kết mô ta thấy điều khiển mờ lai (F-PD) đề xuất báo hồn tồn áp dụng cho UAV với quỹ đạo chuyển động phức tạp với độ xác cao so với điều khiển truyền thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hazry Desa, S.Faiz Ahmed, A Zul Azfar, Adaptive HybridControl Algorithm Design for Attitude Stabilization of Quadrotor (UAV), Archives Des Sciences Vol 66, No 2, Feb 2013, University Malaysia Perlis, Malaysia, 2013 [2] Zhao, Z., Tomizuka, M., and Isaka, S., Fuzzy gain scheduling of PID controllers, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 23(5), pp.1392-1398, 1993 [3] L Reznik, Fuzzy Controllers Handbook, 1997 [4] E H Fung, Y Wong, Y Ma, C M Yuen, and W Wong, Smart hanger dynamic modeling and fuzzy control design, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol 9, No 4, pp.691-700, 2011 [5] Do Khac Tiep, Ki-Nam Lee, Dae-Yeong Im, Bongwoo Kwak and Young-Jae Ryoo, Design of Fuzzy - PID Controller for Path Tracking of Mobile Robot with Differential Drive, International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol.18, No.3, pp.220-228, September 2018 Ngày nhận bài: 23/9/2019 Ngày nhận sửa: 18/10/2019 Ngày duyệt đăng: 15/11/2019 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 67 ... B/B B/B B/B B/B Hình Cấu trúc điều khiển Fuzzy Matlab Hình Bộ điều khiển mờ lai (F -PD) cho góc Φ Hình mơ tả cấu trúc điều khiển Fuzzy - PD cho góc Φ UAV, điều khiển cho góc θ,Ψ có cấu trúc tương... đạo UAV ứng với điều khiển Fuzzy - PD điều khiển PD truyền thống Từ hình vẽ ta thấy sai lệch bám quỹ đạo UAV với điều khiển Fuzzy - PD nhỏ so với sai lệch bám quỹ đạo UAV với điều khiển PD truyền... Fuzzy - PD cho UAV mô tả Hình 2, ban đầu khối tạo quỹ đạo thiết lập quỹ đạo đặt theo tham số người điều khiển, sau điều khiển thực điều khiển UAV bay theo quỹ đạo đặt trước Bộ điều khiển mờ lai Fuzzy