Điều khiển dự báo cho hệ máy bay không người lái

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Hiện phát triển khoa học công nghệ có bƣớc nhảy vọt, đặc biệt phần cứng nhƣ tốc độ khối lƣợng tính tốn, độ xác vi xử lý cảm biến ngày cao hơn, bên cạnh khả tạo mẫu nhanh với máy in 3D, cho phép phát triển thiết bị khơng mang tính ứng dụng cao, mà phần quan trọng thiết bị điều khiển Khả áp dụng điều khiển phần nhờ kế thừa tảng lý thuyết điều khiển tuyến tính có mặt khái niệm hàm điều khiển Lyapunov giúp cho việc giải tính ổn định hệ thống sử dụng điều khiển phi tuyến đơn giản hơn, có ảnh hƣởng nhiễu ngoại lực, bất định mục đích điều khiển tối ƣu Bên cạnh đó, sở lý thuyết Cơ học kỹ thuật, hầu hết mơ hình động học đối tƣợng đƣợc rõ ràng ngày đƣợc mở rộng sát với thực tế, điều khiển ngày đáp ứng đƣợc nhiều yêu cầu điều khiển phức tạp Sự xuất thiết bị có quân trƣớc nhƣ GPS, robot quân sự, máy bay không ngƣời lái … dân minh chứng cho phát triển xu hƣớng thiết kế thiết bị có tính ứng dụng điều khiển cao Từ sở đó, học viên định chọn đối tƣợng Máy bay khơng ngƣời lái Quadrotor,do tính ứng dụng cao khả chế tạo đơn giản, làm đối tƣợng điều khiển nhƣ đƣa điều khiển tối ƣu để giải vấn đề cân bằng, đáp ứng vị trí đặt hƣớng (xoay quanh trục z) đặt cho đối tƣợng Luận văn tốt nghiệp học viên thực với tên gọi: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay khơng ngƣời lái” Luận văn đƣợc hồn thành nhờ hƣớng dẫn động viên lớn từ TS Đào Phƣơng Nam thầy cô môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Mặc dù cố gắng, nhƣng thân hạn chế nên luận văn tránh khỏi thiếu sót Em mong q thầy bạn đọc thơng cảm gửi ý kiến đóng góp sửa đổi, bổ sung cho luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày 21/3/2016 Học viên: Nguyễn Phú Bình Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN MƠ HÌNH MÁY BAY KHƠNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR……………………………… 1.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………….… 1.2 Máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV)………… 1.3 Tình hình nghiên cứu ………………………………………………….… 1.4 Tổng quan mơ hình máy bay không ngƣời lái dạng Quadroto…………… 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động …………………………………… 10 1.4.2 Mô hình UAV dạng Quadroto ………………………………… 12 1.4.2.1 Mơ hình máy bay theo phƣơng pháp Euler – Lagrange………… 13 1.4.2.2 Mơ hình máy bay theo phƣơng pháp Newton – Euler …………… 17 1.4.2.3 Mơ hình sử dụng để thiết kế điều khiển ……………………… 18 1.4.2.4 Ràng buộc non-holonomic Quadrotor ……………………… 20 CHƢƠNG II: BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO HỆ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI ………………………………………… …………………… 23 2.1 Bộ điều khiển tối ƣu …………………………………………….…… … 23 2.1.1 Bộ điều khiển tối ƣu dùng phƣơng pháp quy hoạch động …… 23 2.1.2 Bộ điều khiển tối ƣu cho mơ hình tuyến tính hóa ……….…… 23 2.2 Điều khiển dự báo (MPC) ……………………………………………… 24 2.2.1 Mô hình điều khiển dự báo ……………………………………… 25 2.2.1.1 Mơ hình điều khiển tối ƣu …………………………………… 25 2.2.1.2 Mơ hình điều khiển dự báo sử dụng hàm trực giao …………… 26 CHƢƠNG III: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB ……………………………………… 29 3.1 Điều khiển dự báo thời gian liên tục (Continuous-time MPC) ………… 29 3.1.1 Mơ hình tuyến tính ………………………………………….… 29 3.1.2 Mơ hình hóa quỹ đạo điều khiển …………………… ……… 30 3.1.3 Dự báo đáp ứng .………………………………….…… 30 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.1.4 Chiến lƣợc điều khiển tối ƣu ………………………………… 32 3.2 Mô Matlab ………………………………………………… 36 3.2.1 Mơ hình hệ thống ……………………………………….…… 36 3.2.2 Kết mơ …………………………………………… 40 CHƢƠNG IV: ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTO TRONG THỰC TẾ ……………………….… 41 4.1 Hệ thống giám sát điều khiển Quadroto ………….……………….… 41 4.1.1 Vị trí vận tốc dài Quadroto ……………………………… 42 4.1.2 Hƣớng vận tốc góc Quadroto …………………………… 43 4.2 Cấu trúc điều khiển đề xuất ……………………………………………… 43 KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………… 49 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tham số mô hình Quadrotor ……………………… Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A 13 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 – Cấu tạo hoạt động Quadrotor ………………………… 10 Hình 1.2 – Chiều momen quay góc Euler thay đổi ………………… 11 Hình 1.3 – Quadrotor hệ quy chiếu qn tính ……………………… 12 Hình 2.1 – Cấu trúc chung hệ thống MPC……………………… 25 Hình 4.1 – Cấu trúc phần cứng…………………………………………… 43 Hình 4.2 – Khối phần mềm tƣơng ứng cấu trúc phần cứng………………… 44 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN MƠ HÌNH MÁY BAY KHƠNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR 1.1 Đặt vấn đề Mặc dù có phát triển rõ ràng việc cân dịng máy bay khơng ngƣời lái, nhiên để UAVs phát huy đƣợc hết hiệu ứng dụng tốt thực tiễn, điều khiển cần cải tiến mặt tối ƣu lƣợng khả chịu nhiễu ngoại lực, bất định bên cạnh việc bám vị trí quỹ đạo đặt Chính vậy, học viên định thực đề tài: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái” Luận văn trình bày kết nghiên cứu đƣợc thực dựa kiến thức học viên đƣợc học tảng nghiên cứu điều khiển Quadrotor trƣớc Kết thực đề tài đƣợc thể qua kết mô tin cậy Nội dung đồ án đƣợc xếp nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan ứng dụng thiết bị bay khơng ngƣời lái nhƣ tình hình nghiên cứu thiết kế điều khiển cho thiết bị đặt vấn đề cho đề tài Giới thiệu sơ mơ hình bay Quadrotor trình bày bƣớc chọn biến trạng thái, xây dựng mơ hình đối tƣợng thiết kế điều khiển Chƣơng 2: Trình bày ngắn gọn lý thuyết điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái Chƣơng 3: Tổng hợp điều khiển dự báo cho đối tƣợng Quadrotor Phân tích ổn định hệ kín trình bày cho điều khiển Các kết mô kiểm chứng phần mềm Matlab - Simulink đƣợc thể chƣơng Chƣơng 4: Đề xuất cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển mơ hình bay Quadrotor Việc lựa chọn cảm biến để đo lƣờng quan sát trạng thái Quadrotor cho độ xác phù hợp với mục đích thiết kế khác Cấu trúc phần cứng phần mềm sơ đƣợc đề xuất cho mục Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP đích xây dựng hệ thống thử nghiệm kiểm tra đáp ứng điều khiển Quadrotor Kết luận: Kết luận công việc thực đồ án hƣớng mở rộng đề tài 1.2 Máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) Từ xƣa đến nay, thiết bị bay đối tƣợng đƣợc loài ngƣời quan tâm hàng đầu đầu tƣ phát triển mạnh mẽ Trong đó, thiết bị bay có ngƣời lái có lịch sử phát triển lâu dài thống trị ngành hàng không dân lẫn quân mặc cho cồng kềnh, phức tạp chúng Tuy nhiên nhờ phát triển cơng nghệ mà thiết bị điện tử có tốc độ, hiệu suất lƣợng ngày cao kích cỡ, giá thành giảm, hai thập kỷ gần chứng kiến phát triển mạnh mẽ thiết bị máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) Điều mở đƣờng cho ứng dụng hữu ích mà UAV phục vụ cho loài ngƣời, nhƣ tảng cho phát triển máy bay cá nhân thực nhỏ gọn Cho đến nay, khơng tính đến ứng dụng UAV lĩnh vực quân thực nhiệm vụ nguy hiểm tới phi cơng nhƣ: tiếp cận đến nơi khơng an tồn (qn địch, núi lửa, phá dị mìn), ứng dụng UAV lĩnh vực dân phân loại thành mảng [8]: Chụp ảnh quay hình: Thu thập thông tin qua quan sát từ cao, vẽ đồ nhìn đối tƣợng góc nhìn An ninh: Quan sát khu vực bảo mật nghiêm ngặt, giám sát dịch bệnh, tìm ngƣời tích, … Mơi trƣờng: Phát cháy rừng, thu thập thơng tin mơi trƣờng xác hơn, bảo vệ động vật hoang dã, … Nghiên cứu khoa học: Điều khiển từ xa thu thập thông tin nghiên cứu đối tƣợng, … Nông nghiệp: Giám sát nông nghiệp thay cơng việc lồi ngƣời nhƣ bón phân đạm, phun thuốc trừ sâu Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Do tính ứng dụng cao, thiết bị bay không ngƣời lái đƣợc thiết kế đa dạng chun dụng cho mục đích Có nhiều cách để phân loại UAVs nhƣ khả bay xa, kích cỡ hay mục đích sử dụng, nhiên thơng thƣờng UAVs đƣợc phân loại thành nhóm [8] theo tính đặc trƣng: Fixed-wing aircraft: Thiết bị bay có cánh bay cố định bay với tốc độ cao phù hợp với quãng đƣờng bay xa Flapping-wing vehicles: Thiết bị bay có cánh đập, giống nhƣ việc mơ lồi chim trùng bay Blimps: Thiết bị bay sử dụng khí nhẹ khơng khí giống nhƣ khinh khí cầu (Lighter-than-air UAVs) Rotary wings UAVs: Thiết bị bay có cánh quay, cịn đƣợc gọi thiết bị bay cất cánh & hạ cánh theo chiều thẳng đứng (Vertical Take Off & Landing VTOL) Nổi bật ứng dụng nhóm dịng Rotary wings UAVs với đặc trƣng Quad-rotor UAVs - loại sử dụng rotor cánh quay Đặc điểm dòng cất cánh, hạ cánh theo chiều dọc (không sử dụng đƣờng băng dài), khả giữ ổn định tốt nhƣ kết cấu khí đơn giản Dịng máy bay có khả mang tải nặng, kết hợp với khả ổn định tốt, hứa hẹn nhiều ứng dụng hữu ích phục vụ lồi ngƣời 1.3 Tình hình nghiên cứu Trong hai thập kỷ qua, ngoại trừ ngành Năng lƣợng chƣa có nhiều đột phá, phần cứng nhƣ (1) thiết bị cảm biến vi xử lý có tốc độ, độ xác ngày cao giá thành giảm; (2) Sự phát triển cảm biến hình ảnh thuật tốn quan sát; (3) Cơng nghệ viễn thơng định vị phát triển ứng dụng vào dân nhƣ: Truyền liệu tốc độ cao & GPS; (4) Công nghệ chế tạo phôi với thành cơng tiêu biểu dân hóa máy in 3D, giá mức hợp lý giảm; khiến cho việc đƣa UAVs vào áp dụng thực tế bƣớc thiết kế điều khiển & lập trình giám sát, điều khiển Cũng điều này, lƣợng lớn nghiên cứu điều khiển UAVs đƣợc công bố kèm thực tế, nhiên chủ yếu để giữ thăng ổn định Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP không chuyển động gần tới điểm mong muốn Các kỹ thuật điều khiển tiêu biểu kể đến: i Các điều khiển phản hồi đơn giản nhƣ PD, PID [6] thiết kế điều khiển LQR [9] cho mô hình đƣợc tuyến tính hóa Đặc điểm điều khiển dễ dàng áp dụng vào thực tế nhƣng chất lƣợng khơng tốt nhiễu ngoại lực nhiễu bất định ii Bộ điều khiển dự báo kết hợp điều khiển Back-stepping [20] nhằm xác định tín hiệu điều khiển khiến hệ kín ổn định tiệm cận Đặc điểm điều khiển loại đạt tới điểm đặt, có tính bền vững (với điều khiển trƣợt) nhƣng u cầu tính tốn cao thiết kế áp dụng thực tiễn iii Các điều khiển nâng cao sử dụng điều khiển thích nghi [5],[23], điều khiển bền vững nhằm nâng cao khả chịu nhiễu UAVs nhƣ tác động gió, ngoại lực khác … iv Các điều khiển sử dụng phản hồi hình ảnh Camera thu thập hình ảnh gắn [3] gắn [4] quan sát UAV, tính tốn tốc độ góc quay, từ đƣa phản hồi cho tín hiệu điều khiển v Các điều khiển khác sử dụng lý thuyết Điều khiển mờ [10], Mạng nơron [11] hay trí thơng minh nhân tạo [33] Do chất lƣợng điều khiển ổn định đƣợc đáp ứng tốt, nghiên cứu điều khiển năm trở lại lại tập trung chủ yếu vào hƣớng: Thiết kế điều khiển nâng cao thích nghi, bền vững nhằm chống nhiễu môi trƣờng đặc biệt [5] Tập trung thiết kế điều khiển tối ƣu với phiếm hàm mục tiêu nhằm tối ƣu lƣợng, tối ƣu thời gian bay đạt tới điểm đặt trạng thái [24], [29], [32] Mở rộng mơ hình máy bay nhƣ lắp thêm cánh tay robot điều khiển lên UAV điều khiển ổn định bám giá trị, quỹ đạo đặt [25] 1.4 Tổng quan mơ hình máy báy khơng ngƣời lái dạng Quadrotor: Trƣớc đến nội dung thiết kế điều khiển, phần dƣới trình bày cấu tạo, nguyên lý bay mơ hình động học UAV dạng Quadrotor Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động UAV Quadrotor-type (gọi tắt Quadrotor) thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng, có bốn cánh quạt nằm mặt phẳng đƣợc gắn lên động đặt đối xứng qua tâm hình chữ thập Bốn cánh quạt giống kích cỡ, với hai cặp giống hệt nhau, cặp cánh ngƣợc cặp cánh xuôi đƣợc gắn đan xen theo vòng quay kim đồng hộ lấy tâm Quadrotor làm tâm quay Các động đƣợc thiết kế để giống hoạt động cho cánh quạt đối diện quay chiều, cánh quạt kềnhau quay ngƣợc chiều - nhằm cân momen Hình 1.1 – Cấu tạo hoạt động Quadrotor [8] xoắn t M , t M , t M , t M đƣợc tạo khung cản khơng khí cánh quạt Giả thiết Quadrotor đƣợc xét đến có motor trƣớc M sau M quay cánh quạt ngƣợc chiều kim đồng hồ, motor bên trái M bên phải M4 quay cánh quạt thuận chiều kim đồng hồ, đồng thời motor quay tạo lực đẩy Quadrotor f1 , f2 , f3 , f4 hƣớng lên - vng góc với mặt phẳng chứa cánh quạt Tổng lực u tác dụng lên Quadrotor cánh quạt sinh ra: u = f1 + f2 + f3 + f4 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A (1.1) Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP phi=zeros(n1,m1*N); for i=0:(m1-1) b=B1(:,i+1); x=Iint(A1,p,N,n1,k,h,b); for j=1:N phi(:,j+i*N)=x(:,j); end end end function [Kmpc,Kx,Ke] = K_mpc(A,B,C,M,h,N,p) [A1,B1,C1] = doi_he(A,B,C); [n,m]=size(B); [q,n]=size(C); [n1,m1]=size(B1); OMG=eye(N*m1); Si=zeros(m1*N,n1); Q = C1.'*C1; for k=1:M phi = Tinh_phi(A1,B1,N,k,h,p); OMG = OMG + phi.'*Q*phi *h; Si= Si+ phi.'*Q*expm(A1*k*h)*h; end K=zeros(m1,m1*N); for i=1:(m1*N) j =floor(i/(N+1))+1; K(j,i) = sqrt(2*p); end Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 38 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Kmpc =K*(OMG\Si); Kx=zeros(m,n); Ke=zeros(m,q); fori=1:n Kx(:,i)=Kmpc(:,i); end for i=1:q Ke(:,i)=Kmpc(:,i+n); end end Ở tham số p,h,N,M đƣợc điều chỉnh dựa vào việc quan sát đầu hệ thống Xét đối tƣợng có ma trận đặc tính A= B= C= Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 39 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.2.2 Kết mô Matlab: p=1 N=15 p=1 N=15 p=1 N=15 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 40 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG IV: ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR TRONG THỰC TẾ Chƣơng đề xuất sơ thiết kế cấu trúc phần cứng phần mềm nhằm kiểm tra đáp ứng điều khiển Quadrotor đƣợc thiết kế phía thực tế Điểm khác biệt mơ hình bay thƣơng mại mơ hình bay cần đƣợc sử dụng phịng thí nghiệm - cho yêu cầu ứng dụng phức tạp đƣợc Đồng thời, lựa chọn - đặc biệt việc lựa chọn cảm biến đƣợc trình bày với khó khăn tƣơng ứng cho nhìn tổng quan trƣớc tiến hành xây dựng hệ thống giám sát điều khiển mơ hình bay thực tế 4.1 Hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor: Hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor hệ thống giám sát tọa độ hƣớng Quadrotor từ tính tốn thơng tin hữu ích cho điều khiển để điều khiển tạo tín hiệu điều khiển tƣơng ứng với lệnh đặt vị trí đặt ban đầu Trong đó, Quadrotor đƣơc thƣơng mại hóa đƣợc sinh với mục đích có u cầu độ xác chƣa cao, tập trung trọng cân bằng, khả tải mang theo đáp ứng chủ yếu lệnh mang tính chất hƣớng di chuyển dƣới giám sát trực tiếp từ mắt ngƣời qua ảnh Sự khác biệt khiến cho điều khiển Quadrotor không mang nhiều nghĩa tự động, nhƣ chƣa thể giám sát kiểm tra mức độ tin cậy mơ hình điều khiển Quadrotor đƣợc thƣơng mại hóa Bên cạnh đó, việc thiết kế hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor cần thiết khả linh động thay kiểm tra chất lƣợng điều khiển Do ứng dụng đa dạng Quadrotor, dẫn đến điều khiển đáp ứng yêu cầu đặt ngày phức tạp đòi hỏi việc đo, quan sát nhiều biến trạng thái có độ xác cao Bộ điều khiển Quadrotor đƣợc thiết kế chƣơng với mục đích cân bám quỹ đạo với góc yaw đặt Từ u cầu điều khiển để có đƣợc tín hiệu điều khiển giá trị đặt cho điều khiển motor, biến trạng thái cần đo quan sát đƣợc bao gồm: vị trí tƣơng đối theo trục tọa độ dài hƣớng Trong tính toán điều khiển, giá trị vận tốc dài vận tốc góc thu đƣợc Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 41 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP cách lấy đạo hàm vị trí hƣớng Tuy nhiên, thực tế, giá trị vận tốc dài vận tốc góc thu đƣợc thực nghiệm thông qua phép đo quan sát 4.1.1 Vị trí vận tốc dài Quadrotor: Tùy vào mục đích độ xác cần đạt yêu cầu điều khiển, vị trí đối tƣợng Quadrotor đƣợc xác định khác Đối với mục đích điều khiển bay theo hành trình, thiết bị định vị GPS đƣợc sử dụng xác định vị trí tuyệt độ xác lên tới vài cm[15] sau sử dụng quan sát Tuy nhiên, mục đích điều khiển phức tạp nơi bị che khuất, quan sát vệ tinh GPS, vị trí tƣơng đối đối tƣợng Quadrotor đƣợc xác định thiết bị nhƣ cảm biến siêu âm[12], lazer nhƣ hệ thống SLAM cho độ xác cao lên tới vài mm [15] sử dụng hệ thống camera quan sát ƣớc lƣợng nhƣ: phƣơng pháp kết hợp camera gắn Quadrotor thuật toán ƣớc lƣợng [19] hệ thống Camera VICON – Global Sensing [13] (camera gắn không gian bay Quadrotor) Mặc dù cảm biến đáp ứng nhanh, cho độ xác vừa đủ nhỏ gọn, nhƣng chuyển động Quadrotor đặc biệt có góc pitch roll khác 0, cảm biến bị nhiễu trở nên không đáng tin cậy Trong hệ thống quan sát cho thông tin đáng tin cậy có khả ƣớc lƣợng đƣợc nhiều thơng tin vận tốc dài hƣớng Quadrotor Tuy nhiên, hệ thống quan sát thƣờng phức tạp, u cầu lƣợng tính tốn lớn thƣờng đƣợc xử lý máy tính mặt đất trƣớc gửi thông tin tới Quadrotor dẫn đến giảm tốc độ đáp ứng điều khiển Trong đó, Quadrotor bay không nên sử dụng giải pháp dùng cảm biến đo vận tốc Để ƣớc lƣợng đƣợc vận tốc dài theo trục, giải pháp GPS đƣợc cho tiện lợi nhất, nhƣng mơi trƣờng bị che khuất tầm nhìn vệ tinh yêu cầu điều khiển phức tạp độ xác cao, bắt buộc hệ thống quan sát phải sử dụng Hệ thống Global Sensing mặc độ xác cao khả quan sát tốt tƣ Quadrotor Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 42 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP nhƣng phƣơng pháp yêu cầu cao phần cứng phần mềm Bên cạnh đó, phƣơng pháp Optical Flow - camera đƣợc gắn thân Quadrotor nên vận tốc quan sát đƣợc không đáng tin cậy trƣờng hợp góc roll pitch lớn Tuy nhiên, cấu trúc phần cứng phía dƣới đề xuất sử dụng phƣơng pháp hai điều khiển hồn tồn khơng chế góc pitch roll nhỏ vừa đủ Phƣơng pháp Optical Flow ƣớc lƣợng đƣợc vận tốc dài trực tiếp sử dụng vi mạch Quadrotor [10] sử dụng máy tính mặt đất sau gửi thơng tin lên Quadrotor [20] Một số phƣơng pháp đo vận tốc dài sử dụng trực tiếp cảm biến đo gia tốc trục vận tốc góc theo trực thơng tin từ mơ hình rotor [2], nhiên kết sử dụng mô chứng thực 4.1.2 Hƣớng vận tốc góc Quadrotor: Do phát triển thập kỷ gần ngành vi cơ-điện tử, dẫn đến phát triển cảm biến ngày nhỏ gọn thông tin thu đƣợc có độ xác cao tích hợp đƣợc nhiều cảm biến diện tích vi mạch Thơng thƣờng, ngồi giải pháp sử dụng camera để ƣớc lƣợng góc vận tốc góc đối tƣợng, cảm biến tích hợp cảm biến trục gyroscope, cảm biến trục accelerometer cảm biến trục magnetometer dễ dàng đƣa thơng tin tọa độ góc vận tốc góc Quadrotor Các cảm biến sử dụng trực tiếp mạch gắn liền với Quadrotor (on-board) nhƣ tổ hợp IDG500/ADXL335, tổ hợp ITG3200/BMA180 chí mạch cảm biến có sẵn DSP lọc mạch nhƣ mạch cảm biến GY86 Đây mạch cảm biến đƣợc dùng mạch phần cứng đề xuất phía dƣới tính tiện lợi khả giảm bớt lƣợng tính tốn cho vi điều khiển trung tâm Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 43 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 4.2 Cấu trúc điều khiển đề xuất Hình 4.1 – Cấu trúc phần cứng Hình 4.1 thể cấu trúc phần cứng đề xuất cho hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor Mặc dù tốc độ vi xử lý (vi điều khiển) ngày cao đáp ứng thuật tốn phức tạp ƣớc lƣợng vị trí vận tốc bảng mạch gắn liền với Quadrotor [10], nhiên có mặt máy tính tốn (nhƣ máy vi tính) cần thiết khả nâng cấp, tùy biến chỉnh sửa thuật tốn, điều khiển tiện dụng Ngồi ra, tốc độ truyền thông đƣợc cải thiện bên cạnh thuật toán đƣợc tối ƣu khiến hệ thống ƣớc lƣợng trạng thái Quadrotor đáp ứng vừa đủ tần số đầu điều khiển mà đảm bảo chất lƣợng Tọa độ góc vận tốc góc hệ thống điều khiển & giám sát đƣợc đo khối mạch cảm biến Inertial Measurement Unit (IMU) GY-86 gồm 10 giá trị đo (cảm biến Gyroscope, gia tốc từ trƣờng trục & cảm biến nhiệt độ) Trong nhằm xác định vị trí vận tốc dài, hệ thống sử dụng Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 44 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP camera quan sát lấy mẫu hình ảnh dễ quan sát đƣợc cho trƣớc Hai phƣơng pháp song song đƣợc sử dụng hình ảnh đƣợc lấy mẫu nhằm thu biến trạng thái khác nhau: Để xác định vị trí hƣớng Quadrotor, hình ảnh thu xác định đƣợc mức độ tƣơng quan nhóm vật cố định mặt cố định Dựa sai khác thực tế ảnh chụp đƣợc, phép nội suy suy ngƣợc lại đƣợc vị trí hƣớng camera chụp - vị trí tƣơng đối hƣớng Quadrotor Thông thƣờng, vận tốc dài đƣợc quan sát sử dụng điều khiển đạo hàm theo thời gian vị trí tƣơng ứng thu đƣợc từ phƣơng pháp Để xác định vận tốc dài Quadrotor, trƣờng hợp điều khiển đảm bảo giữ góc pitch roll đủ nhỏ, phƣơng pháp Optical Flow (OF) Mesurement sử dụng Phƣơng pháp dựa chuyển động vật ảnh thu thông số hƣớng di chuyển Quadrotor, từ suy đƣợc vận tốc dài chí tọa độ tƣơng đối tƣơng ứng đối tƣợng Hình 4.2 – Khối phần mềm tương ứng cấu trúc phần cứng Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 45 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 4.2 thể khối phần mềm cần đƣợc thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu quan sát đo lƣờng biến trạng thái cần sử dụng cho điều khiển Ảnh đối tƣợng quan sát đƣợc truyền từ khối A sang khối B, từ sử dụng khối ƣớc lƣợng (C) để thu đƣợc biến trạng thái gửi cho điều khiển (E) Khối Failsafe điều khiển cân sử dụng trạng thái thu thập Quadrotor nhằm xử lý trƣờng hợp tín hiệu khơng nhận đƣợc bị nhiễu Trong khối D, quan sát trạng thái Quadrotor cần đƣợc xây dƣng nhằm đánh giá giám sát chất lƣợng điều khiển Khối Custom Controller đƣợc sử dụng trƣờng hợp thử nghiệm, mở rộng phát triển điều khiển mà không cần can thiệp sâu vào phần mềm nội vi điều khiển Quadrotor Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 46 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KẾT LUẬN Những kết đạt đƣợc Trong nội dung luận văn, học viên thực đƣợc công việc sau: Thứ nhất, luận văn trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu Quadrotor xây dựng mơ hình động học Quadrotor có ảnh hƣởng nhiễu bất định sai lệch mơ hình Đồng thời, học viên tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển bền mà đảm bảo tính ổn định hệ kín dựa lý thuyết Lyapunov Từ sở đó, lợi dụng đặc tính chuyển động Quadrotor với tƣ gần cân bằng, điều khiển dự báo với nhiễu đƣợc đề xuất để giải toán cân bám quỹ đạo, góc yaw đặt Quadrotor Các bƣớc thiết kế nhƣ phân tích ổn định hệ thống đƣợc nêu cụ thể luận văn Thứ hai, học viên tiến hành mô hệ thống điều khiển mô hình bay Quadrotor sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng điều khiển đƣợc thiết kế Kết cho thấy Quadrotor quỹ đạo đặt với sai lệch nhỏ với tốc độ đáp ứng nhanh vector tín hiệu điều khiển nhỏ Trên sở góc pitch, roll thu đƣợc đủ nhỏ, việc tính tốn tín hiệu điều khiển momen quay thực tế, từ tín hiệu từ điều khiển, trở nên dễ dàng đƣợc Thứ ba, dựa trình nghiên cứu nhƣ yêu cầu quan sát & ƣớc lƣợng trạng thái cho điều khiển, học viên đề xuất xây dựng hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor nhằm mục đích kiểm tra, mở rộng phát triển điều khiển để Quadrotor có tính ứng dụng cao Sự khác Quadrotor thƣơng mại hệ thống giám sát & điều khiển nhằm mục đích nghiên cứu đƣợc luận văn Phƣơng pháp điều khiển dự báo luận văn mang khả áp dụng cao thực tế chuyển đƣợc từ đƣợc toán điều khiển bám quỹ đạo toán điều khiển ổn định hệ thống Việc nghiên cứu điều khiển dự báo cần thiết, Quadrotor đƣợc ứng dụng bay khơng gian có nhiệm vụ phức tạp khác tồn ảnh hƣởng mơi trƣờng bay đến Quadrotor Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 47 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Những mặt hạn chế Mặc dù đạt đƣợc kết khả quan kiểm tra đáp ứng Quadrotor sử dụng điều khiển, nhiên thời gian kiến thức có hạn, nghiên cứu luận văn hạn chế nhƣ: - Chƣa tận dụng tốt ràng buộc non-holonomic bậc cao mơ hình động học Quadrotor điều khiển để nâng cao chất lƣợng hệ thống - Phƣơng pháp thiết kế điều khiển đơn giản Hƣớng phát triển đề tài Hƣớng mở rộng Đề tài việc cải thiện điều khiển để khắc phục hạn chế trên, có hƣớng nhƣ sau: Thứ nhất, hoàn thiện hệ thống giám sát điều khiển Quadrotor thực tế, bao gồm nâng cấp cải thiện thuật tốn cho cảm biến hình ảnh nhằm thu đầy đủ trạng thái Quadrotor cài đặt điều khiển vi xử lý Thứ hai, cải thiện điều khiển đáp ứng tốt với nhiễu, bất định trình độ Thứ ba, mở rộng phạm vi lớp đối tƣợng sang dòng UAVs tƣơng tự khác Em mong nhận ý kiến đóng góp q báu thầy Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn TS Đào Phương Nam, thầy cô giáo môn Điều khiển tự động, viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ em hoàn thành luận văn Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 48 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: [1] Phƣớc, N D., Tối ưu hóa điều khiển điều khiển tối ưu, NXB Bách Khoa, 2015 Tài liệu tham khảo Tiếng Anh: [2] Alderete, T S., Simulator aero model implementaion, NASA Ames Research Center, Moffett Field, California, 1995 [3] Allibert, G.; Abeywardena, D.; Bangura, M.; Mahony, R., “Estimating body- fixed frame velocity and attitude from inertial measurements for a quadrotor vehicle ”, Control Applications (CCA), 2014 IEEE Conference on -10 Oct 2014, pages 978 – 983, 2014 [4] Altug, E.; Ostrowski, J.P.; Taylor, C.J., “Quadrotor control using dual camera visual feedback”, Robotics and Automation, 2003 Proceedings ICRA '03 IEEE International Conference on 14-19 Sept 2003, vol 3, pages 4294 – 4299, 2003 [5] Andrievsky, B.; Fradkov, A.; Peaucelle, D., “Adaptive control experiments for laas ”helicopter” benchmark”,Physics and Control, 2005 Proceedings 2005 International Conference, pages 760 – 766, 2005 [6] Bouabdallah, S.; Noth, A.; Siegwart, R.,“PID vs LQ Control techniques applied to an indoor micro quadrotor”, Intelligent Robots and Systems, 2004 (IROS 2004) Proceedings 2004 IEEE/RSJ International Conference on 28 Sept.-2 Oct 2004, vol 3, pages 2451 – 2456, 2004 [7] Brockett, R W., “Asymptotic stability and feedback stabilization”, Differential Geometric Control Theory, pages 181-191, Boston, 1983 [8] Carrillo, R L G.; Lospez, A E D.; Lozano, R and Pégard, C., Quad Rotocraft Control, Springer-Verlag London, 2013 [9] Castillo, Pedro; Lozano, R.; Dzul, A.,“Stabilization of a mini rotorcraft with four rotors”,IEEE Control Systems Magazine, vol 25, issue 6, pages 45 – 55, 2005 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP [10] Coza, C.; Macnab, C.J.B., “A new robust adaptive-fuzzy control method applied to quadrotor helicopter stabilization”,Fuzzy Information Processing Society, 2006 NAFIPS 2006 Annual meeting of the North American, pages 454 – 458, 2006 [11] Dunfied, J.; Tarbouchi, M.; Labonte, G., “Neural network based control of a four rotor helicopter”, Industrial Technology, 2004 IEEE ICIT '04 2004 IEEE International Conference on 8-10 Dec 2004, vol 3, pages 1543 – 1548, 2004 [12] Escareno, J.; Salazar-Cruz, S.; Lozano, R., “Embedded control of a four-rotor UAV”, American Control Conference, 2006 [13] Etkin, B.; Reid, L D., Dynamics of flight: Stability and Control, John Wiley & Sons Inc, New York, 1996 [14] Freeman, R.; Kokotovic, P., Robust Nonlinear Control Design, State-space and Lyapunov Techniques, Brikhauser, 1996 [15] Goldstein, H., Classical Mechanics, Addison Wesley, 1980 [16] Grabe, V.; Bulthoff, H.H.; Giordano, P.R., “On-board velocity estimation and closed-loop control of a quadrotor UAV based on optical flow”, Robotics and Automation (ICRA), 2012 IEEE International Conference on 14 -18 May 2012, pages 491 – 497, 2012 [17] Lara, D.; Sanchez, A.; Lozano, R.; Castillo, P., “Real-time embedded control system for VTOL aircrafts: Application to stabilize a quad-rotor helicopter”, Computer Aided Control System Design, 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 2006 IEEE International Symposium on Intelligent Control, 2006 IEEE, pages 2553 – 2558, 2006 [18] Lupashin, S.; Schollig, A.; Hehn, M.; D'Andrea, R., “The Flying Machine Arena as of 2010”, Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on 9-13 May 2011, pages 2970 – 2971, 2011 [19] Lupashin, S.; Hehn, M.; Mueller, M W.; Schollig, A.; Sherback, M.; D'Andrea, R., “A platform for aerial robotics research and demonstration: The Flying Machine Arena”,Mechatronics, vol 24, issue 1, pages 41 – 54, February 2014 [20] Madani, T.; Benallegue, A., “Backstepping sliding mode control applied to a miniature quadrotor flying robot”, IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference on 6-10 Nov 2006,pages 700 – 705, 2006 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 50 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP [21] Mahony, R.; Kumar, V.; Corke, P., “Multirotor Aerial Vehicles: Modeling, Estimation, and Control of Quadrotor”, IEEE Robotics & Automation Magazine, vol 19, issue 3, pages 20 – 32, 2012 [22] McCormick, B W., Aerodynamics of v/stol flight, Dover Publication Inc., 1999 [23] Morel, Y.; Leonessa, A., “Direct adaptive tracking control of quadrotor aerial vehicles”, ASME 2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, pages 155 – 161, 2006 [24] Munoz, L.E.; Santos, O.; Castillo, P.; Fantoni, I., “Energy-based nonlinear control for a quadrotor rotorcraft”, American Control Conference (ACC) 2013, pages 1177 – 1182, 2013 [25] Orsag,M.; Korpela, C.;Oh, P.,“Modeling and Control of MM-UAV: Mobile Manipulating Unmanned Aerial Vehicle”, Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol 69, Issue 1-4, pp 227-240, January 2013 [26] Rimero, H.; Benosman, R.; Lozano, R., “Stabilization and location of a four rotor helicopter applying vision”, Proceedings of the 2006 American Control Conference, USA, June 14 – 16, 2006 [27] Romero, H.; Salazar, S.; Lozano, R., “Real-time stabilization of an eight-rotor UAV using optical flow”, IEEE Transactions on Robotics, vol 25, issue 4, pages 809 – 817, 2009 [28] Salazar-Cruz, S.; Palomino, A.; Lozano, R., “Trajectory tracking for a four rotor mini-aircraft”, Decision and Control, 2005 and 2005 European Control Conference CDC-ECC '05 44th IEEE Conference on12-15 Dec 2005, pages 2505 – 2510, 2005 [29] Santos,O.; Romero,H.; Salazar,S.; Lozano, R., “Real-time Stabilization of a Quadrotor UAV: Nonlinear Optimal and Suboptimal Control”, Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol 70, Issue 1-4, pp 79-91, April 2013 [30] Sontag, E D., “A „universal‟ construction of Artstein‟s Theorem on nonlinear stabilization”, Systems & Control Letters, vol 13, issue 2, pages 117-123, August 1989 [31] Tournier, G P.; Valenti, M.;How, J P.; Feron, E., “Estimation and control of a quadrotor vehicle using monocular vision and moire patterns”, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 21 -24 August 2006, 2006 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 51 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP [32] Van Loock, W.; Pipeleers, G.; Swevers, J., “Time-optimal quadrotor flight”, Control Conference (ECC), 2013 European, pages 1788 – 1792, 2013 [33] Waslander, S.L.; Hoffmann, G.M.; Jung Soon Jang; Tomlin, C.J., “Multi-agent quadrotor testbed control design: Integral sliding mode vs reinforcement learning ”, Intelligent Robots and Systems, 2005 (IROS 2005) 2005 IEEE/RSJ Inter national Conference on 2-6 Aug 2005, pages 3712 - 3717, 2005 [34] Design of a model predictive Controller to Control UAVs, A.J.M Raemaekers DTC 2007.141 Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 52 ... thiết kế điều khiển Chƣơng 2: Trình bày ngắn gọn lý thuyết điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái Chƣơng 3: Tổng hợp điều khiển dự báo cho đối tƣợng Quadrotor Phân tích ổn định hệ kín... TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II: BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO HỆ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI 2.1 Bộ điều khiển tối ƣu Trong mục này, điều khiển tối ƣu đƣợc thiết kế tảng lý thuyết điều khiển tối ƣu sử dụng phƣơng... kế điều khiển 2.2.1 Mơ hình điều khiển dự báo Mơ hình điều khiển dự báo phƣơng pháp thiết kế điều khiển bao hàm tối ƣu hoá on-line Vấn đề tính tốn cho hệ thống động, ràng buộc đối tƣợng điều khiển