Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR
1.1. Khát quát về tri-rotor
Phương tiện bay không người lái tri-rotor là thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng. Cấu trúc của tri-rotor đƣợc minh họa trên Hình 1.1, trong đó hình 1.1a là hình ảnh tri-rotor thực tế, còn hình 1.1b [35] là mô hình hình học mô tả tri-rotor đƣợc nhìn từ trên xuống.
Nhƣ đã trình bày trong phần mở đầu, tri-rotor mà luận án tập trung nghiên cứu có cấu trúc có 3 cánh tay có chiều dài giống hệt nhau đƣợc đặt lệch nhau 120o và cuối mỗi cánh tay có gắn cơ cấu tạo ra lực và mô men. Tất cả 3 cơ cấu tạo ra lực giống hệt nhau và mỗi một cơ cấu bao gồm một cánh quạt và đƣợc dẫn động bởi một động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) để tạo ra lực đẩy.
a) Mô hình UAV tri-rotor thật b) Mô hình hình học tri-rotor Hình 1.1. Mô hình tri-rotor
Ba động cơ có thể đƣợc cấp nguồn từ một nguồn pin hoặc từ những pin riêng rẽ đƣợc đặt ở tâm của tri-rotor. Chiều quay của các động cơ đƣợc qui định như hình 1.1b, trong đó 2 động cơ cánh quạt phía trước có chiều quay
9
ngƣợc nhau, còn động cơ sau quay cùng chiều với 1 trong 2 động cơ phía trước. Với cấu trúc này sẽ dẫn đến sự không cân bằng trong góc yaw, nghĩa là các mô men quay sinh ra bởi các cánh quạt.
Để khử đƣợc mô men này, mỗi động cơ cánh quạt đƣợc gắn với thân cánh tay tri-rotor thông qua một động cơ servo. Do đó, cho phép quay cánh quạt trong một mặt phẳng thẳng đứng một góc trong phạm vi -π/2≤α≤π/2 để tạo ra thành phần lực theo phương ngang hình 1.3 [35].
Hình 1.2. Mô hình tri-rotor dạng 3D
a) Nhìn ngang của một cánh tay b) Nhìn từ phía trước cánh tay Hình 1.3. Cấu tạo một cánh tay của tri-rotor
Tri-rotor có cấu trúc nhƣ trên có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu về thời gian hoạt động, linh hoạt, ít tốn kém, có kích thước nhỏ gọn hơn so với quadrotor.
Nhờ có 3 động cơ secvo mà tri-rotor hoạt động linh hoạt hơn hẳn so với quadrotor. Do kết cấu của nó có các động cơ đặt lệch nhau 1 góc 1200 cho nên thuật toán điều khiển của tri-rotor phức tạp hơn nhiều so với quadrotor, nhƣng điều này không làm ảnh hưởng tới lợi ích mà tri-rotor mang lại. Tri-rotor có nhiều kích cỡ trong thực tế, nó có thể có kích cỡ lớn để chở người và hàng
10
hóa. Kích cỡ nhỏ để hoạt động trong những phạm vi nhỏ hẹp ngay cả trong nhà. Vì có nhiều ứng dụng cho nên tri-rotor có nhiều hình dáng và tính năng khác nhau phục vụ cho việc nghiên cứu những ứng dụng đó.
1.1.1. Nguyên lý điều khiển chuyển động tri-rotor
Chuyển động của tri-rotor có thể chia thành 4 chuyển động [17] sau:
chuyển động theo phương thẳng đứng, chuyển động theo góc roll, chuyển động theo góc pitch và chuyển động xoay tròn theo góc yaw.
a) Điều khiển độ cao (
1
1
2 )
b) Điều khiển góc roll CCW:
CW:
c) Điều khiển góc pitch
231 : Ngẩng lên
231 : Chúc xuống
d) Đi ều khiển góc yaw và α>0
123
Hình 1.4. Nguyên lý điều khiển chuyển động của tri-rotor
Trên Hình 1.4a trình bày nguyên lý điều khiển độ cao của tri-rotor. Ở đây nếu ta tăng tốc độ của các động cơ nhƣ nhau thì độ cao sẽ tăng và ngƣợc
11
lại, giảm tất cả các tốc độ của các động cơ cánh quạt thì tri-rotor sẽ giảm. Còn trên Hình 1.4b minh họa nguyên lý điều khiển góc roll. Điều khiển góc roll có thể theo cách là giữ không đổi tốc độ của động cơ số 1 và thay đổi tốc độ của hai động cơ phía trước. Trên hình Hình 1.4c chỉ ra nguyên lý điều khiển góc pitch. Ở đây, giữ không đổi và bằng nhau của hai động cơ phía trước và thay đổi tốc độ động cơ số 1 để nhận đƣợc điều khiển góc pitch. Cuối cùng, trên Hình 1.4d trình bày nguyên lý điều khiển góc yaw. Ở đây sử dụng mô men quay của bản thân máy bay từ mô men xoắn phản kháng và thay đổi góc lệch của động cơ cánh quạt α. Góc nghiêng cánh quạt α rất hữu ích cho điều khiển tránh vật cản bất ngờ.
1.1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tri-rotor
Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển tri-rotor đƣợc biểu diễn trên Hình 1.5.
Nhiệm vụ
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ điều khiển tri-rotor Gồm các khối có chức năng sau:
Khối nhiệm vụ: Có nhiệm vụ đƣa ra những lệnh điều khiển tri-rotor.
Nó có thể được xử lý trong ROM của MCU hoặc được cung cấp bởi người sử dụng thông qua thiết bị truyền thông không dây. Trong giai đoạn đầu tiên tri-rotor sẽ thực hiện theo nhiệm vụ cố định của nó và không cần yêu cầu đến
12
thông tin liên lạc bên ngoài. Trong giai đoạn thứ hai, nhiệm vụ có thể đƣợc thay đổi bởi người sử dụng. Cơ cấu này cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn. Giao diện giữa người sử dụng và tri-rotor được thực hiện bởi bộ điều khiển từ xa (RC) đƣợc trang bị cùng với một máy phát tín hiệu RF để gửi thông tin tới một máy thu RF gắn trên tri-rotor.
Khối điều khiển vị trí, bám quỹ đạo: Thực hiện thuật toán trong MCU để cung cấp bản đồ, quỹ đạo bay và tránh chướng ngại vật. Nhiệm vụ của nó không phải ổn định tri-rotor, nhƣng làm cho tri-rotor bay an toàn, tâm khối bám theo quỹ đạo đƣợc yêu cầu từ khối nhiệm vụ. Trên hình 1.5 cho thấy các đầu vào của khối này không chỉ có từ khối nhiệm vụ, mà còn có tín hiệu từ các khối GPS và khối SONAR & IR. Với các thông tin này và một quỹ đạo bay, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển mong muốn tới bộ điều khiển mức thấp nhƣ điều khiển tốc độ, điều khiển tƣ thế và giám sát quá trình bay thông qua thông tin phản hồi từ các cảm biến.
Khối điều khiển tốc độ và ổn định các góc Euler: Thực hiện thuật toán trong MCU để ổn định tri-rotor. Khối này sẽ đƣa ra luật điều khiển để điều khiển các động cơ truyền động các cánh quạt cũng nhƣ động cơ servo điều khiển góc nghiêng của cánh quạt tri-rotor. Động lực học của các động cơ đƣợc tính toán và một bộ điều khiển đƣợc sử dụng để điều khiển tốc độ của từng cánh quạt riêng biệt theo điện áp đầu vào. Đầu vào của khối này là tín hiệu mong muốn từ khối điều khiển mức cao (khối điều khiển vị trí, bám quỹ đạo), từ khối đo lường quán tính (IMU) và từ các khối SONAR & IR. Sử dụng các thông tin từ các cảm biến để biết về vị trí và để thực hiện nhiệm vụ ổn định tri-rotor.
Khối động cơ: Khối này bao gồm các động cơ BLDC quay cánh quạt và động cơ servo điều khiển góc nghiêng cánh quạt. Khối này bao gồm nguồn cung cấp và hệ thống truyền động động cơ quạt cánh. Nguồn cung cấp điện áp
13
và dòng điện cho động cơ. Trong quá trình làm việc của động cơ, dòng điện đƣợc phản hồi về MCU thông qua thiết bị chuyển đổi ADC với mục đích để quan sát trạng thái làm việc của động cơ.
Khối động lực học tri-rotor: Biểu diễn tri-rotor hoạt động nhƣ thế nào khi thay đổi tốc độ của các cánh quạt. Các tham số của nó không thay đổi bởi vì chúng có liên quan đến cấu trúc vật lý cụ thể.
Khối IMU: Cung cấp các thông tin về trạng thái và hướng của tri- rotor. IMU thực hiện tính toán các góc roll - pitch - yaw (góc , , ) và gửi chúng đến MCU. Hơn nữa nhờ con quay hồi chuyển 3 bậc tự do để cung cấp thông tin phản hồi về tốc độ góc của tri-rotor trong hệ tọa độ gắn với vật.
Khối GPS: Cung cấp thông tin về vị trí của tri-rotor. Tín hiệu GPS không thật chính xác, tuy nhiên nó có thể kết nối với bộ điều khiển mức độ cao nhƣ tín hiệu phản hồi qũy đạo mong muốn bên ngoài.
SONAR & IR: Thực hiện đo khoảng cách chính xác từ tri-rotor đến chướng ngại vật theo một hướng nhất định, cụ thể là khoảng cách từ tri-rotor đến mặt đất và những chướng ngại vật trong môi trường làm việc của tri- rotor. Mô đun SONAR sẽ phát hiện khoảng cách của chướng ngại vật nhờ sóng siêu âm, còn mô đun IR sử dụng sóng hồng ngoại.