(Luận văn thạc sĩ) điều khiên 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 HĨA 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 HĨA 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 Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN 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 cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng 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 q Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp chúng tơi suốt q trình học cao hoc Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA, ngƣời nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho tơi 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 hơm 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 q Thầy Cơ Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015 Ngƣời thực luận văn Phạm Đình Ngãi Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ TĨM 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 khơng gian tốt, cất cánh, bay, đáp khu vực nhỏ, điều khiển đơn giản Trong luận văn, mơ hình tốn 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 mơ 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 mơ 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 cơng 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 Mơ 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 Mơ hình Simulink mơ 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 CƠNG MƠ 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 mơ 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 120 độ tạo từ trƣờng cảm ứng tƣơng ứng với cuộn nam châm vĩnh cửu đặt rotor, từ làm trục động quay với tốc độ nhanh không gây ma sát với stato Trƣớc tiên ta chọn động để đáp ứng yêu cầu tải trọng có ích sau chọn thiết bị khác nhƣ ESC, Pin, cánh quạt theo động Để chọn đƣợc động ta phải ƣớc lƣợng đƣợc sơ khối lƣợng khung, khối lƣợng thiết bị qua tính đƣợc trọng lƣợng tổng quadrotor Theo ƣớc lƣợng khối lƣợng quadrotor (chƣa tính tải trọng có ích) khoảng 0,5kg đến 0,6kg Để an toàn, chọn trọng lƣợng tổng máy bay 0,6kg Thông thƣờng cân (lực nâng = trọng lƣợng) tay ga mức 50% Hay nói cách khác, tổng lực nâng cánh quạt động sinh phải lần trọng lƣợng tổng máy bay 100% ga Trong trƣờng hợp tổng lực nâng động cần đạt đƣợc 1,2kg Lực nâng động cơ: 1,2kg/4 = 0.3kg Do đó, ta cần chọn động cánh quạt cho có lực nâng > 0,3kg Với thơng số nêu trên, ta chọn động MT 1806 hãng Emax cánh có kích thƣớc 5” để phù hợp với thông số kỹ thuật động cơ: Bảng 4.1: Thông số động BLDC MT 1806  Tốc độ vòng quay: 2280KV  Trục cốt motor: 2mm  Lực kéo tối đa: 0.46kg  Chiều dài: 26.7mm  Pin sử dụng: 2-3S  Đƣờng kính: 23mm  Thông số cánh : 5" ~ 6"  Trọng lƣợng: 18g / 0.7oz  Dòng tải làm việc: