(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 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 q trình học cao hoc Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy PGS.TS DƢƠNG HỒI 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 tơi q 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 lịng 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 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 cơng 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 mô điều khiển 30 3.3.1 Trƣờng hợp khơng có 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 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 mơ hình tốn học nhƣ vấn đề động học động lực học Qua thực tiễn cho thấy để thiết kế chế tạo thành cơng sản phẩm cơng nghệ địi 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 tốn điều khiển phức tạp Từ thực tế chứng minh mơ 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 mơ hình tốn học quadrotor để từ đến thiết kế thi cơng mơ hình bay thực tế sở khoa học vững 1.2 Các cơng 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 mơ hình tƣơng tự mơ hình Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ quadrotor luận văn, nghiên cứu đa dạng, từ mơ hình sâu vào tối ƣu hóa kích thƣớc nhỏ gọn nhẹ nhàng tới mơ 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 cơng 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 mơ 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 thơng 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 khơng ảnh 1.2.1.2 Phantom FC40 Hình 1.2: Phantom FC40 Phantom FC40 mơ 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 hồn 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 mơ hình ghi lại sắc nét khơng 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, ngồi 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: Mơ 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 mơ hình tốn học nhƣ vấn đề động học động lực học Năm 2009, cơng trình “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ 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 Thơng 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 mơ hình, nhóm nghiên cứu sử dụng vật lieuj nhôm sợi carbon để chế tạo khung máy bay So với máy mơ 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 mơ hình Kết nhiều máy bay quadrotor bay lên thành công từ ngƣời đam mê mơ hình Tuy nhiên, hệ thống cảm biến dùng gryoscope đo chuyển động theo trục, khơng có 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 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 thông 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  Thơng số cánh : 5" ~ 6"  Trọng lƣợng: 18g / 0.7oz  Dòng tải làm việc: