Từ đó, Quadrotor khơng cịn được chú ý như trước. Cho đến những năm 1980, Quadrotor lại được quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và giá thành thấp.
Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng sáng chế Draganfly là một trong những chiếc Quadrotor thương mại điều khiển sóng Radio (Hình 1.4). Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực thăng thông thường. Khung được làm bằng ống sợi Cacbon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền. X-Pro sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày nay,
Trang 18
rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng X-Pro như một phương tiện cơ bản phục vụ cho các cơng việc nghiên cứu.
Hình 1.4. Draganflyer X-Pro.
Cơng việc nghiên cứu về Quadrotor đã được quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng Quadrotor là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng của UAV so với một máy bay trực thăng thông thường. Quadrotor ngày càng được ứng dụng rộng rãi trọng lĩnh vực quân sự cũng như dân sự. Nó đã mang lại cho các nhà khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu.
1.2.2. Cơng trình liên quan nổi bật
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mơ hình tương tự mơ hình Quadrotor của luận văn. Các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mơ hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mơ hình đặt vấn đề về độ vững chắc với thiết kế rất cứng cáp vững vàng bù lại đó là sự nặng nề và tiêu hao năng lượng lớn. Mỗi thiết bị đều có đặc điểm riêng tương ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu.
Trang 19 ❖ Mơ hình Mesicopter
Hình 1.5. Mơ hình Mesicopter.
Được trang bị với những động cơ Supermini, kích thước của Mesicopter nhỏ gọn một cách ấn tượng, chỉ tương đương với một đồng xu, cả mơ hình nằm gọn trong lịng bàn tay con người. Với kích thước đặc biệt nhỏ, hứa hẹn ứng dụng của Mesicopter trong lĩnh vực tình báo, cũng như giám sát là rất cao, nhưng đi kèm theo nó cũng cần phát triển một hệ thống các thiết bị siêu nhỏ khác.
❖ X4-flyer (ANU).
Hình 1.6. X4-flyer (ANU).
Với đề tài X4-flyervới một kết cấu cơ khí vững chắc khả năng chịu lực cũng như nâng vật của máy bay là rất điển hình, ngồi phần thân đã nặng 4kg, Quadrotor này cịn có thể mang thêm 1kg tải kèm theo.
Trang 20 ❖ MD4-200 (microDrones GmbH).
Hình 1.7. MD4-200 (microDrones GmbH).
MD4-200 là mẫu ấn tượng nhất. Đây là một sản phẩm thương mại đã được đăng kí, khả năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hồn hảo, đổi hướng không bị mất thăng bằng, kết hợp với camera hoặc 1 máy chụp hình có độ phân giải cao, kèm theo cơ cấu chống rung cho thiết bị ghi hình, những dữ liệu được mơ hình ghi lại rất sắc nét và không bị rung.
1.2.3. Các phương pháp điều khiển Quadrotor
Đi theo khả năng ứng dụng cao, hướng phát triển rộng, các nghiên cứu về quadrotor đã được chú ý rất lớn qua nhiều cơng trình nghiên cứu. Các đề tài khoa học của nhiều trường đại học cũng như các viện nghiên cứu trên thế giới đã có nhiều cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế cân bằng hệ thống Quadrotor trong các cơng bố của các thập niên qua, điển hình là phương pháp điều khiển PID, LQR, Backsteping, điều khiển trượt (SMC), ...
Trong tài liệu tham khảo [4], tác giả Tommaso Bresciani đã sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao của Quadrotor khi bay ở chế độ lơ lửng. Bộ điều khiển được phát triển sử dụng mơ hình mơ phỏng khơng phi tuyến (Matlab simulink model). Kết quả là bộ điều khiển đã ổn định vật lý trong 3 giây, tuy nhiên hệ thống không ổn định trong môi trường nhiều tác động nhiễu.
Trang 21
Trong tài liệu tham khảo [6], nhóm tác giả đã thực hiện bộ điều khiển LQR để điều khiển Quadrotor. Kết quả mô phỏng là đạt u cầu, nhưng khi có sự nhiễu loạn lớn thì bộ điều khiển đã khơng thể ổn định hóa hệ thống.
Kết quả của 2 phương pháp PID và LQR trả về là rất khả thi. Bộ điều khiển cho kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm khá tốt, tuy nhiên khi có tác động nhiễu thì hệ thống khơng cịn ổn định và việc xác đinh giá trị P, I, D, L, Q, R trong phương pháp PID và LQR tốn nhiều thời gian và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế.
Trong tài liệu tham khảo [8], Nhóm tác giả Ashfaq Ahmad Mian and Wang Daobo đã tiến hành xây dựng bộ điều khiển Backstepping và kết quả trên mô phỏng bằng Matlab Simulink Model là rất khả quan. Bộ điều khiển đạt độ ổn định cao, duy trì được các góc roll, pitch, yaw và nhanh chóng bám theo tín hiệu đặt ban đầu của hệ thống.
Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lượng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. So sánh rất nhiều bộ điều khiển như PID, LQR, điều khiển trượt (Sliding mode control- SMC), điều khiển Backstepping … học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài:
“Điều khiển ổn định hóa Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping”. Mục tiêu của luận văn là hướng tới điều khiển ổn định góc nghiêng
3 trục Roll, Pitch, Yaw và độ cao (z) của mơ hình và tín hiệu điều khiển bám theo tín hiệu đặt.
1.3. Mục đích nghiên cứu
Đề tài: “Điều khiển ổn định hóa Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping” được thực hiện nhằm mục đích xây dựng mơ hình và giải thuật điều
khiển để từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc xây dưng thuật tốn điều khiển, mơ phỏng và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển Quadrotor
1.4. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu
Để điều khiển một Quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới 4 tín hiệu điều khiển độc lập cho 4 cánh của mơ hình. Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai
Trang 22
cũng rất đa dạng. Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên nhận thấy bộ điều khiển Backstepping là khả thi trong thực hiện nhất. Luận văn sẽ đi sâu vào thí nghiệm tìm thơng số cho bộ điều khiển, từ đó lấy số liệu về đáp ứng đầu ra, thống kê số liệu để tạo điều kiện cho những nghiên cứu tiếp theo.
Các công việc thực hiện trong đề tài:
- Xây dựng mơ hình tốn học của Quadrotor.
- Tìm hiểu lý thuyết điều khiển Backstepping.
- Áp dụng lý thuyết điều khiển khiển Backstepping xây dựng luật điều khiển cho mơ hình Quadrotor.
- Mơ phỏng Quadrotor sử dụng phần mềm Matlab/Simulink.
- So sánh điều khiển Backstepping với các thuật toán điều khiển khác
- Thu thập các kết quả, đánh giá, tổng kết, báo cáo.
Trên cơ sở những kết quả thu được từ thực tế, học viên tiến hành phân tích những ưu khuyết điểm từ đó tìm ra hướng tốt hơn để cải thiện bộ điều khiển cũng như nâng cao hơn độ chính xác của kết quả.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng các kiến thức về lý thuyết điều khiển tối ưu, điều khiển đa biến [1], điều khiển phi tuyến [2,3] trong lĩnh vực tự động trong tính tốn và thiết kế Quadrotor. Với những phương pháp cụ thể sau:
- Nghiên cứu các tài liệu, luận văn, bài báo có sẵn trong và ngồi nước.
- Từ kết quả mô phỏng thực nghiệm, đánh giá, hiệu chỉnh và nhận xét kết quả.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.6.1. Ý nghĩa khoa học 1.6.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụng Quadrotor có tính phức tạp cao hơn. Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu làm tài liệu cho các cơng trình nghiên cứu sau này.
Trang 23
1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả thu được từ quá trình mơ phỏng làm cơ sở để nghiên cứu chế tạo quadrotor. Ứng dụng Quadrotor để phục vụ cho đời sống con người như: Chụp ảnh, quay phim bằng camera độ phân giải cao ở những vùng đồi núi có địa hình hiểm trở. Phát triển đề tài sẽ nâng cao các ứng dụng cũng như chất lượng của quadrotor trong các lĩnh vực quân sự, do thám, thu thập hình ảnh…
1.7. Tóm lược nội dung luận văn
Luận văn gồm 6 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu tổng quan về các cơng trình nghiên cứu liên quan, xu hướng phát triển của các mơ hình tương tự như trong luận văn. Khả năng ứng dụng thực tiễn, những ưu khuyết điểm của mơ hình, mức độ áp dụng của các thuật tốn.
Chương 2: Cơ sở điều khiển
Trình bày chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động mơ hình Quadrotor. Xây dựng mơ hình tốn của Quadrotor. Trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển Backstepping. Từ mơ hình tốn học tạo bước đệm thiết kế bộ điều khiển để tiến hành mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 3: Xây dựng luật điều khiển mơ hình Quadrotor
Dựa vào cơ sở lý thuyết điều khiển Backstepping xây dựng thuật toán điều khiển Quadrotor. Trên cơ sở đó, tiến hành mô phỏng Quadrotor trên phần mềm Matlab/Simulink.
Chương 4: Kết quả mô phỏng Quadrotor
Chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink và vẽ đồ thị đáp ứng ngõ ra Quadrotor, nhận xét, đánh giá kết quả.
Trang 24
Chương 5: So sánh điều khiển Backstepping với các phương pháp điều khiển khác
Từ kết quả mô phỏng Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping tiến hành so sánh với các phương pháp điều khiển khác để đánh giá tính hiệu quả của thuật toán điều khiển.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Kết luận về các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm, đánh giá điểm đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển để xây dựng mơ hình thực tế Quadrotor hồn thiện hơn.
Trang 25
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Quadrotor 2.1.1. Cấu tạo Quadrotor
Quadrotor được định nghĩa là một phương tiện bay có 4 cánh quạt gắn lên phía cuối của một khung hình chữ thập. Các cánh quạt được gắn vào 4 động cơ ở 4 góc, với 2 cánh quạt xen kẽ quay ngược chiều nhau, 2 cánh quạt đối xứng quay cùng chiều nhau để chống lại moment xoắn.
Hình 2.1. Mơ hình Quadrotor.
Bộ điều khiển và cảm biến thường được đặt ở giữa trung tâm mơ hình để giữ thăng bằng và tiện lợi trong việc kết nối điều khiển tới 4 động cơ.
2.1.2. Nguyên lý hoạt động Quadrotor
Cặp cánh phía trước và cặp cánh phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, cặp cánh bên phải và bên trái quay ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoay được tạo ra bởi cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ.