Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR
1.2. Tình hình nghiên cứu các thuật toán điều khiển tri-rotor
Từ sơ đồ khối hệ thống điều khiển tri-rotor trên hình 1.5, luận án tập trung nghiên cứu tổng hợp các bộ điều khiển các vòng vị trí, vận tốc và tƣ thế tri-rotor. Trước khi xác định bài toán nghiên cứu của luận án, chúng ta cần phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển cho tri-rotor.
Động lực học của tri-rotor có mối liên kết ràng buộc và phi tuyến mạnh, do đó công việc thiết kế điều khiển cho UAV này có độ phức tạp và đóng vai trò quan trọng trong việc hoạt động ổn định của tri-rotor [17]. So
14
sánh với hệ thống quadrotor, điều khiển góc yaw của hệ thống tri-rotor thách thức hơn vì cấu hình không đối xứng của hệ thống. Ví dụ, mô men đáp ứng góc yaw trong hệ thống quadrotor đƣợc tạo ra từ các mô men góc roll và góc pitch do đó thiết kế điều khiển sẽ đơn giản hơn. Tương phản với quadrotor, trong hệ thống tri-rotor, các mô men các góc pitch, roll và yaw có sự ràng buộc mạnh. Hơn nữa, bài toán điều khiển tƣ thế của tri-rotor cũng khó khăn hơn so với quadrotor vì các thành phần Coriolic và hồi chuyển.
Chính vì độ phức tạp mô hình, mà đã có nhiều cách tiếp cận khác nhau để tổng hợp bộ điều khiển cho tri-rotor và nhận đƣợc những kết quả khác nhau. Do đó, nghiên cứu sinh tiến hành phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các cách tiếp cận điều khiển tri-rotor dưới đây.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, tri-rotor là loại UAV ít đƣợc quan tâm so với loại quadrotor hay máy bay trực thăng do độ phức tạp của mô hình của nó. Do đó, các công trình nghiên cứu về UAV thường tập trung cho quadrotor, số công trình nghiên cứu về tri-rotor rất ít. Chủ yếu các công trình nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại ở mức xây dựng mô hình toán, tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng ở mức độ đơn giản [1]. Ngoài ra, một số công trình của chính tác giả mở rộng với các bộ điều khiển khác nhau.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hướng tiếp cận đầu tiên khi thiết kế bộ điều khiển của hầu hết các hệ thống điều khiển nói chung và điều khiển thiết bị bay nói riêng là cách tiếp cận sử dụng thuật toán PID. Đối với các công trình liên quan đến điều khiển tri-rotor nhiều tác giả cũng đã tiếp cận theo cách này khi thiết kế bộ điều khiển PID cho các vòng điều khiển tri-rotor [19],[23],[33],[35],[50],[55],
[57] hoặc sử dụng bộ điều khiển này để so sánh và đƣa ra những ƣu điểm
15
của cách tiếp cận khác khi so sánh với bộ điều khiển PID. Các tác giả trong [19],[23],[55] tổng hợp 04 bộ điều khiển PID cho tri-rotor với cấu trúc điều khiển một góc nghiêng, 03 bộ điều khiển cho 3 góc roll, pitch và yaw, còn một độ điều khiển PID cho điều khiển độ cao. Các bộ điều khiển đƣợc đánh giá thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink. Một cách tiếp cận bằng cách kết hợp thuật toán PID truyền thông với bộ điều khiển MPC tuyến tính với cấu trúc điều khiển nhiều vòng cho tri-rotor một góc nghiêng đƣợc trình bày trong [7]. Ở đây bộ điều khiển PID thực hiện chức năng điều khiển vòng vị trí, còn bộ điều khiển MPC tuyến tính thực hiện điều khiển vòng vận tốc và vòng tƣ thế.
Bên cạnh cách tiếp cận sử dụng bộ điều khiển PID truyền động, tuy nó có nhƣợc điểm là bộ điều khiển cho mô hình tuyến tính và cho hệ SISO, do đó có nhiều công trình tiếp cận theo các lý thuyết khác nhau. Trong tài liệu [27] trình bày chế độ bay lượn của tri-rotor được tính toán từ phương pháp phân tích số Newton – Raphson và đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển LQR.
Tương tự, các tác giả trong công trình [59] đã xây dựng luật điều khiển tối ưu dựa trên phương pháp LQR áp dụng cho điều khiển tư thế của tri-rotor. Chất lƣợng làm việc của bộ điều khiển đƣợc kiểm chứng bằng nghiên cứu mô phỏng cho cả mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến. Ngoài ra, bộ điều khiển này đƣợc thực nghiệm trên phần cứng với máy tính nhúng làm bộ điều khiển.
Một cách tiếp cận sử dụng phương pháp điều khiển trượt được trình bày trong [64]. Trong công trình này, các tác giả đã đề xuất bộ điều khiển trượt bền vững kết hợp với phương pháp ước lượng thời gian trễ cho điều khiển tri-rotor một góc nghiêng trong bám và ổn định tƣ thế khi có sự xuất hiện của nhiễu. Bộ điều khiển đề xuất cho chất lƣợng bám chính xác cao khi nhiễu được ước lượng bởi phương pháp ước lượng thời gian trễ. Còn
16
trong công trình [8] tác giả trình bày bộ điều khiển kết hợp giữa điều khiển trƣợt với điều khiển PID truyền thống. Các bộ điều khiển PID điều khiển các kênh roll, pitch, yaw, còn bộ điều khiển dạng trƣợt siêu xoắn (STSMC-Super twisting sliding mode control). Các bộ điều khiển này cho chất lƣợng điều khiển tri-rotor tốt khi tính đến sự bất định của tham số cũng nhƣ nhiễu tách động bên ngoài. Một hệ thống điều khiển bền vững đƣợc thiết kế dựa trên thuật toán trƣợt bậc 2 thời gian hữu hạn đƣợc trình bày trong tài liệu [65].
Các tác giả đã sửa đổi thuật toán điều khiển trƣợt siêu xoắn cho hai vòng điều chỉnh. Kết quả hệ thống điều khiển đã đƣợc kiểm chứng chất lƣợng khi làm việc có sự không chắc chắn của thông số hệ thống cũng nhƣ nhiễu môi trường.
Cách tiếp cận theo phương pháp điều khiển back-stepping được trình bày trong bài báo [6],[27],[43],[53],[75]. Trong tài liệu [6] các tác giả đề xuất thiết kế bộ điều khiển back-stepping cho kênh điều khiển tƣ thế nhằm nâng cao chất lƣợng động học của hệ thống điều khiển tri-rotor với cấu hình chỉ điều khiển một góc nghiêng cánh quạt so sánh với bộ điều khiển PID. Còn các tác giả trong bài báo [43] tiếp cận bài toán điều khiển tri-rotor cũng với cấu hình chỉ điều khiển một góc nghiêng cánh quạt từ việc mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển các kênh sử dụng phương pháp back-stepping. Cũng cách tiếp cận tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến dựa trên back-stepping dựa trên hàm Lyapunov cho tri-rotor một góc nghiêng đƣợc các tác giả trình bày trong [27]. Các kết quả chứng minh hiệu quả của bộ điều khiển back-stepping. Ngoài ra, một bộ điều khiển mờ cho tri-rotor một góc nghiêng đƣợc cũng đƣợc các tác giả trình bày trong [27]. Chất lƣợng điều khiển của bộ điều khiển mờ đƣợc so sánh với bộ điều khiển back- stepping có chất lƣợng tốt hơn nhƣ đáp ứng nhanh hơn và quá trình quá độ ngắn hơn. Còn trong công trình [54] các tác giả trình bày thiết kế bộ điều khiển back- stepping trƣợt mờ cho
17
tri-rotor một góc nghiêng. Điều khiển mờ thực hiện khắc phục những thông số không xác định cho bộ điều khiển phi tuyến back-stepping trƣợt, điều này đã nâng cao chất lƣợng điều khiển của hệ thống.
Các thông số mô hình tri-rotor cũng nhƣ những yếu tố tác động từ biên ngoài là những yếu tố bất định, do đó, trong quá trình làm việc của tri-rotor cần điều chỉnh thông số điều khiển để đảm bảo làm việc ổn định của hệ thống. Do đó có một số tác giả đã tiếp cận thiết kế bộ điều khiển cho tri-rotor theo thuật toán thích nghi nhƣ trong các công trình [70],[71]. Ở trong các công trình [31],[71], [72] một bộ điều khiển thích nghi với mô hình chuẩn kết hợp với các bộ điều khiển mờ điều khiển bám quĩ đạo cho tri-rotor. Ở đây, bộ điều khiển thích nghi với mô hình chuẩn là bộ điều khiển chính, còn bộ điều khiển mờ PD dùng để điều chỉnh tham số cho kênh độ cao và bộ điều khiển mờ PID dùng để điều chỉnh thông số cho kênh điều khiển tư thế. Cũng cách tiếp cận tương tự tổng hợp bộ điều khiển thích nghi lai cũng đƣợc trình bày trong [70], nhƣng ở đây là sự kết hợp của bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển RST (Reference Signal Tracking) cho điều khiển các kênh độ cao và tƣ thế của tri-rotor. Kết quả mô phỏng đã chứng minh chất lƣợng điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển RST với đáp ứng quá độ tốt hơn và UAV hội tụ nhanh về vị trí mong muốn [70].
Một kỹ thuật điều khiển bền vững dựa trên bộ điều khiển RST đã đƣợc thực hiện trong [69] để điều khiển và ổn định tƣ thế cho tri-rotor một góc nghiêng. Mohamed và đồng nghiệp công bố trong công trình [36] đã xây dựng mô hình đầy đủ của tri-rotor và kết hợp thuật toán điều khiển bền vững H
vòng điều khiển vận tốc với thuật toán tuyến tính hóa phản hồi vòng ổn định tƣ thế cho tri-rotor với 6 động cơ chấp hành (03 động cơ cánh quạt và 03 động cơ servo). Mô hình phi tuyến của tri-rotor đƣợc tuyến tính hóa bởi kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi đầu vào – đầu ra đồng thời các kênh mà không cần thêm các điều kiện cụ thể tại điểm làm việc.
18
Cùng cách tiếp cận mô hình đầy đủ, Mohamed và đồng nghiệp công bố trong công trình [38] việc tổng hợp bộ điều khiển cho tri-rotor có tính đến động lực học của các động cơ chấp hành. Ở đây các tác giả đã sử dụng kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi hai giai đoạn để bù ảnh hưởng của động lực học động cơ chấp hành cũng nhƣ tuyến tính hóa mô hình hệ thống.
1.2.3. Nhận xét
Từ những nghiên cứu, phân tích các cách tiếp cận thiết kế bộ điều khiển tri-rotor ở trên, nghiên cứu sinh đƣa ra một số nhận xét sau:
Nhận xét 1: Có rất ít công trình tiếp cận thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phi tuyến đầy đủ, nghĩa là xét đến 3 động cơ cánh quạt và 3 động cơ servo tạo góc nghiêng cho cánh quạt. Đa phần các công trình tiếp cận với mô hình đơn giản hơn với chỉ một cánh quạt điều khiển đƣợc góc nghiêng, hai cánh quạt còn lại đƣợc giữ cố định với góc nghiêng bằng không.
Nhận xét 2: Để nâng cao chất lƣợng điều khiển tri-rotor, hệ thống điều khiển thường được xây dựng dựa trên cấu trúc nhiều vòng và tích hợp nhiều bộ điều khiển khác nhau, nhƣ trƣợt – PID, back-stepping trƣợt mờ, PID
– MPC, điều khiển bền vững với tuyến tính hóa phản hồi, ….
Nhận xét 3: Bộ điều khiển PID được sử dụng dưới dạng này hay dạng khác trong các cách tiếp cận khác. Tuy có những nhƣợc điểm, nhƣng nó phát huy được những thế mạnh khi kết hợp với các phương pháp khác.