(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 SKC006692 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 1820519 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ XUÂN THẠCH Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 i ii iii iv v vi vii 4.2.1 Thực nghiệm trình đáp ứng tay điều khiển tốc độ động Áp dụng công thức: RPM  K *(%Throttle)  b (4.1) Trong đó: RPM: Tốc độ động khơng chổi than Quadcopter (vòng/phút) %Throttle: độ rộng xung gửi từ tay điều khiển từ xa điều khiểnbằng tay độ rộng xung cài đặt mặc định chuyển sang chế độ tự giữ thăng Độ rộng xung lớn tốc độ động cao Tuy nhiên, để an toàn cho thiết bị, trường hợp giới hạn sử dụng động tốc độ tối đa 4850 vòng/phút Từ kết thực nghiệm trình đáp ứng tay điều khiển tốc độ động thể hình 4.8, chọn giá trị K b K = 76,0792; b = 1820,2909 Tốc độ động Độ rộng xung Hình 4.7: Quá trình đáp ứng tay điều khiển tốc độ động 4.2.2 Sự tƣơng quan bình phƣơng tốc độ lực nâng 56 Lực nâng Bình phương tốc độ Hình 4.8: Sự tương quan bình phương tốc độ quay lực nâng Kết đọc từ cổng UART Quadcopter q trình thử nghiệm có khống chế mơ hình khí hình 4.4.Mối tương quan tuyến tính hóa hệ số k = 1,4281e-6(N/RPM2) sử dụng để nạp vào chương trình điều khiển 4.2.3 Sự tƣơng quan bình phƣơng tốc độ mơ men Hình 4.9: Ngun lý đo mơ men Dựa vào chênh lệch mô men lực nâng cánh giúp cho thiết bị bay chuyển hướng chuyển động: sang trái, sang phải, tiến tới lùi Nguyên lý kiểm tra mô men thể sơ đồ hình 4.9 M  FL Trong đó: (4.2) M mô men F lực nâng động L độ dài cánh tay địn Phương trình (4.2) viết lại dạng: M  Kd RPM (4.3) 57 Mơ men Bình phương tốc độ Hình 4.10: Sự tương quan bình phương tốc độ mơ men Kết thực nghiệm (hình 4.11) cho thấy tốc độ động biến thiên từ 3700RPM đến 4850RPM, mô men thay đổi từ 0,0075Nm đến 0,035Nm Từ đó, xác định hệ số Kd = 1.4824e-09 (Nm/RPM2) 4.2.4 Thử nghiệm bay thực tế Sau hiệu chỉnh hệ số điều khiển, tiến hành cho thiết bị bay ngồi trời Trong điều kiện ngồi trời có gió nhẹ Bộ điều khiển đáp ứng tốt trường hợp thử nghiệm.Thời gian đáp ứng từ đến giây, phụ thuộc vào vị trí quỹ đạo chuyển động Quadcopter đặt trước.Khả bám vào vị trí quỹ đạo đặt tốt, độ điều chỉnh tương đối nhỏ Ở trạng thái treo mô hình ln ổn định Tuy nhiên, điều kiện thử nghiệm bay ngồi trời có giómạnh hơn, thiết bị bay khơng ổn định 58 Hình 4.11: Thử nghiệm bay thực tế 59 Chương V KẾT LUẬN 4.1 Kết luận 4.1.1 Kết đạt đƣợc Với việc xây dựng điều khiển dựa vào mơ hình tốn học Quadcopter dựa giải thuật UIO, từ kết mô mơ hình thực nghiệm, thiết bị bay chế tạo cho thấy:  Bộ điều khiển đáp ứng tốt trường hợp mô  Thời gian đáp ứng nhanh từ đến giây, phụ thuộc vào vị trí quỹ đạo chuyển động Quadcopter đặt trước  Bám vào vị trí quỹ đạo đặt tốt, độ điều chỉnh tương đối nhỏ  Ở trạng thái treo mơ hình ln ổn định 4.1.2 Hạn chế đề tài Bên cạnh ưu điểm trên, lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng UIO mới, thời gian nghiên cứu hạn hẹp nên chưa thể nghiên cứu chuyên sâu, nên luận văn tồn nhược điểm:  Chưa thể can thiệp sâu vào chương trình để điều chỉnh hệ số giúp cho Quadcopter ổn định  Chưa tích hợp cảm biến phụ trợ cho việc hạ cánh hạ cánh tay điều khiển khó khăn  Chưa khai thác tính định vị GPS bay theo quỹ đạo định sẵn 4.2 Hƣớng phát triển đề tài  Tích hợp cảm biến đo khoảng cách trách vật cản phục vụ việc hạ cánh an tồn  Tích hợp số phụ kiện kèm camera phục vụ công tác tuần tra đơn vị  Khai thác tính GPS sử dụng việc lập quỹ đạo bay phục vụ công tác tuần tra đơn vị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Cơng Danh (2009), Mơ hình Quadrotor, Khoa Cơ khí trường ĐH Giao thơng vận tải TP.HCM [2] Arda Özgür Kivrak (2006), Design of control systems for a quadrotor flight vehicle equipped with inertial sensors, A Master's thesis in Mechatronics Engineering Atihm University [3] Simulation and Implementation of a Quadrotor Alireza (Mohammad Shahri Modeling, 2010;Farshid Jafari Harandi, 2010;Vahid Khorani ,2010) [4] Full Control of a Quadrotor, Autonomous Systems Lab Swiss Federal Institute of Technology, ETHZ Zurich, Switzerland (Samir Bouabdallah, 2004; Roland Siegwart, 2004) [5] Phạm Quốc Phương (2012), Nghiên cứu ứng dụng mơ hình Quadrotor giám sát cứu hộ, Luận văn thạc sĩ, ĐHKT Công nghệ TP.HCM [6] Pedro J O, Dangor M, Kala P J (2016) Differential evolution-based PID control of a quadrotor system for hovering application[A]; proceedings of the 2016 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC)[C] [7] Paiva E A, Soto J C, Salinas J A, etal (2016) Modeling and PID cascade control of a Quadcopter for trajectory tracking[A]; proceedings of the Electrical, Electronics Engineering, Information and Communication Technologies[C]:809-15 [8] Wu Z, Li Q, Zhuang Y, etal (2017) Modeling and cascade PID control of six-rotor aircraft[A]; proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics[C]: 685-9 [9] Chen Yan min, He Yong ling, Zhou Min feng (2015) Decentralized PID neural network control for a quadrotor helicopter subjected to wind disturbance[J] Journal of Central South University, 22(1): 168-79 61 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH RESEARCH, DESIGN AND CREATION QUADCOPTER Võ Hiệp Tùng Học viên cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT: Quadcopter với bốn động không chổi than điều khiển thực trạng thái bay Nó có cấu trúc học đơn giản, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, cất cánh thẳng đứng hạ cánh không gian nhỏ, chẳng hạn bay giữ trạng thái thăng Quadcoptercó thể phục vụ việc cứu hộ, giám sát không, giám sát môi trường, v.v với phát triển Quadcoptertrong việc sử dụng ngành công nghiệp khác nhau, người đưa yêu cầu cao hiệu suất ổn định Quadcopter, đó, nghiên cứu cách cải thiện tính ổn định Quadcopterđã trở thành chủ đề nóng nghiên cứu ngày Để tăng tính ổn định Quadcopter, điều khiển bay dựa thuật toán UIO đề xuất Đầu tiên, mơ hình động quadrotor thiết lập phân tích động thực Theo phương trình động Quadcopter, điều khiển bậc hai dựa thuật toán UIO thuật toán ghép tầng thiết kế tương ứng Mơ hình mơ điều khiển thiết lập Matlab Simulink, việc xác minh phân tích so sánh mơ thực Để có thơng số động học xác Quadcopter, hai thiết bị thử nghiệm phát triển, để đo hệ số mô-men xoắn động không chổi than Quadcopter, để đo hệ số nâng động không chổi than Quadcopter Mạch bù bo mạch PCB thiết bị thử nghiệm thiết kế, tất kết nối với phần mềm máy tính tảng nhúng Sau đó, tảng thử nghiệm Quadcopterđược thiết kế Nền tảng thử nghiệm nhận kiểm tra trạng thái Pitch, Roll Yaw Quadcopter, sử dụng để xác minh thuật toán điều 62 khiển điều chỉnh tham số Để tăng tính ổn định quadrotor, điều khiển bay dựa thuật toán UIO đề xuất Cuối cùng, hiệu suất điều khiển UIO bậc hai xác minh thí nghiệm bay Kết thử nghiệm cho thấy ưu điểm điều khiển UIO so với điều khiển PID truyền thống điều khiển UIO kết hợp tham số thực tế tứ giác vào mơ hình động, chẳng hạn hệ số mô-men xoắn động không chổi than, hệ số lực kéo động khơng chổi than qn tính, v.v., điều khiển UIO mơ hình hóa Phân tích liệu thực nghiệm cho thấy điều khiển UIO hồn thành điều khiển bay Quadcopter, đặc biệt tốc độ ổn định, cao đáng kể so với điều khiển PID Từ khóa:Quadcopter; UIO; Cascade PID; Thiết bị bay khơng người lái ABSTRACT: The Quadcopter with four brushless motor controls realization kinds flight attitudes It has a simple mechanical structure, small size, light weight, vertical take-off and landing within a small space, such as flight and hovering Quadcopter can perform disaster rescue, police chase, aerial, environmental monitoring, etc with the development of Quadcopter in the use of different industries, people have put forward higher request for stable performance of Quadcopter, therefore, studying how to improve the stability of the Quadcopter has become a hot topic in today’s research In order to increase the stability of the Quadcopter, a flight controller based on UIO algorithm is proposed Firstly, the dynamic model of the Quadcopter is established, and the dynamic analysis is carried out According to the dynamic equation of the Quadcopter, the Quadcopter controller based on the cascade PID algorithm UIO algorithm is designed respectively The simulation model of the controller is established in Simulink, and the simulation verification and analysis and comparison are carried out In order to get more accurate dynamic parameters of the Quadcopter, two sets of test devices are developed, a set to measure torque coefficients of the Quadcopter 63 brushless motor, and the other to measure the lift coefficient of the Quadcopter brushless motor The compensation circuit and PCB board of the test device are designed, and the lower computer acquisition software is intended to collect the propeller speed and lift based on the embedded platform Then the Quadcopter test platform is designed The test platform can realize the attitude test of the pitch, roll and yaw of the Quadcopter, which can be used to verify the control algorithm and the tuning of the parameters In order to increase the stability of the Quadcopter, a flight controller based on UIO algorithm is proposed Finally, the performance of the Quadcopter UIO controller is verified by the flight experiment The experimental results show that the advantages of the UIO controller compared with the traditional PID control are that the UIO controller can incorporate the actual parameters of the Quadcopter into the dynamic model, such as the torque coefficient of the brushless motor, the pulling force coefficient of the brushless motor and the inertia of the body and so on, and the UIO controller can model some modeling The amount and disturbance are not taken into account and compensated for the estimated exit The experimental data analysis shows that the UIO controller can complete the flight control of the Quadcopter, especially in the stable speed, which is significantly higher than the PID controller Key Words:Dynamics Modeling; Quadcopter; Unknown Input Observer; Cascade PID 64 I GIỚI THIỆU II CƠ SỞ LÝ THYẾT Chiếc Quadcopter Mơ hình động lực giới đời năm 1907 anh em Quadcopter hệ thống nhà khoa học người Pháp Charles bậc tự do, dùng 12 biến trạng Richet Charlaes Breguet chế tạo thái để mơ tả, biến trạng thái đầu Nó mang tên “Breguet - tiên mô tả độ cao Các biến (  ,  ,  ) Richet Gyroplane No 1” Yêu cầu tương ứng góc roll, pitch, yaw đưa cất cánh khỏi góc Euler hệ qui chiếu vật thể mặt đất với phi công Một động hệ qui chiếu mặt đất p, q, r xi lanh sử dụng để quay cánh vận tốc góc roll, pitch, yaw hệ qui quạt Hệ thống dây đai pu-li chiếu vật thể gắn lên nhằm truyền động từ động Hệ quy chiếu vật thể b(Ob,xb,yb, cho cánh Bộ khung zb) hệ quy chiếu gắn với Quadcopter làm từ ống thép thân.Với OB gốc hệ trục tọa độ Tổng trọng lượng vào khoảng gắn với thân Quadcopter đặt vị 575kg Lần bay thử nghiệm trí trọng tâm diễn Douai- Pháp vào năm 1907 Các biến x, y, z tương ứng với Nó nâng cao khỏi mặt đất hệ trục tọa độ mặt đất, biến u, v, w 1,5 m vận tốc dài hệ qui chiếu vật Vì tính chất đơn giản kết cấu khí tính linh động việc điều khiển với tiềm ứng dụng lớn vào thực tế mơ hình loại máy mà Quadcopter nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hãng chế tạo giới phát triển sản xuất trở thành sản phẩm thương mại thể Hệ quy chiếu mặt đất e (oe, xe, ye, ze) Với oe gốc hệ trục tọa độ xác minh phân tích so sánh mơ thực Để có thơng số động học xác Quadcopter, hai thiết bị thử nghiệm xây dựng để thực nghiệm, để đo hệ Hình Hệ qui chiếu qn tính vật số mơ-men xoắn động chổi than Quadcopter, để đo Động lực học lớp đệm khí Việc tính tốn khí động học mơ tả tác động quay cánh quạt khơng khí Hai thông số quan trọng cần xác định quay lực đẩy hệ số kéo Việc tính tốn thực dựa vào phân tích hai vấn đề: Thuyết động lượng (momentum theory - MT) Lý thuyết phần tử cánh quạt (blade element theory – BET) hệ số nâng động không chổi than Quadcopter Mạch điều khiển thiết kế, hệ thống kết nối với phần mềm máy tính để thu thập tốc độ lực nâng dựa tảng nhúng Sau đó, thiết kế cấu khí thử nghiệm, cấu dùng để kiểm tra pitch, roll yaw Quadcopter, sử dụng để xác minh thuật toán điều khiển điều chỉnh tham số Để tăng tính ổn định Quadcopter, sau thiết kế Quadcopterứng dụng thuật toán III GIẢI THUẬT UIO UIO Theo phương trình động Quadcopter, điều khiển bậc hai dựa thuật toán UIO thuật toán ghép tầng thiết kế tương ứng Mơ hình mơ điều khiển thiết lập Matlab Simulink, việc Hình 2: Mơ điều khiển Roll theo UIO Hình 3: Mơ điều khiển Pitch theo UIO Hình 4: Mơ điều khiển Yaw theo UIO Hình 7: Mơ trường hợp có nhiễu loạn IV KẾT LUẬN Với việc xây dựng điều khiển dựa vào mơ hình tốn học quadcopter dựa giải thuật UIO, từ kết mơ mơ hình thực Hình 5: Kết mơ nghiệm ta nhận thấy rằng:  Bộ điều khiển đáp ứng tốt trường hợp mô  Thời gian đáp ứng nhanh từ đến giây, phụ thuộc vào vị trí quỹ đạo chuyển động quadcopter đặt trước  Bám vào vị trí quỹ đạo đặt tốt, độ điều chỉnh tương đối nhỏ Hình 6: Mơ trường hợp khơng nhiễu loạn Ở trạng thái treo mơ hình ln ổn định Bên cạnh ưu điểm trên, UIO thời gian nghiên cứu hạn hẹp nên chưa thể nghiên cứu Federal chuyên sâu nên tồn ETHZ Zurich, Switzerland (Samir nhược điểm: Bouabdallah, 2004; Roland Siegwart,  Chưa thể can thiệp sâu vào Institute of Technology, 2004) chương trình để điều chỉnh hệ số [5] Phạm Quốc Phương (2012), giúp cho Quadcopter ổn dịnh Nghiên cứu ứng dụng mơ hình  Chưa tích hợp cảm biến phụ Quadrotor giám sát cứu hộ, trợ cho việc hạ cánh hạ cánh Luận văn thạc sĩ, ĐHKT Cơng nghệ tay điều khiển khó khăn TP.HCM  Chưa khai thác tính [6] Pedro J O, Dangor M, Kala P J định vị GPS bay theo quỹ đạo (2016) Differential evolution-based dịnh sẵn PID control of a quadrotor system for hovering application[A]; proceedings TÀI LIỆU THAM KHẢO of the 2016 IEEE Congress on [1] Lê Cơng Danh (2009), Mơ hình Quadrotor, Khoa Cơ khí trường ĐH Giao thơng vận tải TP.HCM of control systems for a quadrotor flight vehicle equipped with inertial A Mechatronics Master's thesis Engineering [7] Paiva E A, Soto J C, Salinas J A, etal [2] Arda Özgür Kivrak (2006), Design sensors, Evolutionary Computation (CEC)[C] in Atihm University [3] Simulation and Implementation of a Quadrotor Alireza (Mohammad Shahri Modeling, 2010;Farshid Jafari Harandi, 2010; Vahid Khorani ,2010) [4] Full Control of a Quadrotor, Autonomous Systems Lab Swiss (2016) Modeling and PID cascade control of a Quadcopter for trajectory tracking[A]; proceedings of the Electrical, Engineering, Electronics Information and Communication Technologies[C]:80915 [8] Wu Z, Li Q, Zhuang Y, etal (2017) Modeling and cascade PID control of six-rotor aircraft[A]; proceedings of the IEEE International Conference on Robotics Biomimetics[C]: 685-9 and [9] Chen Yan min, He Yong ling, Zhou Min feng (2015) Decentralized PID neural network control for a quadrotor helicopter subjected to wind disturbance[J] Journal of Central South University, 22(1): 168-79 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Xác nhận Giáo viên hƣớng dẫn Họ tên: Võ Hiệp Tùng Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Điện thoại: 0886008048 Email: vohieptung@gmail.com TS.Lê Xuân Thạch S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ... năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADCOPTER CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ... khiển từ xa 53 Hình 4. 4: Động Brushless 53 Hình 4. 5: Driver điều khiển động Brushless 53 Hình 4. 6: Thiết bị bay hồn thiện 54 Hình 4. 7: Quá trình đáp ứng tay