Tài liệu Luận văn:Nghiên cứu ứng dụng mô hình Quadrotor trong giám sát và cứu hộ pptx

LU NăV NăTH CăS CHUYểNăNGĨNH:ăăTHI TăB ,ăM NGăVĨăNHĨăMÁYă I N MẩăS ă:ăăă60.52.50 TP.ăH ăCHệăMINH,ăthángă06ăn mă2012... LU NăV NăTH CăS CHUYểNăNGĨNH:ăăTHI TăB ,ăM NGăVĨăNHĨăMÁYă I N Mẩ

LU NăV NăTH CăS

CHUYểNăNGĨNH:ăăTHI TăB ,ăM NGăVĨăNHĨăMÁYă I N

MẩăS ă:ăăă60.52.50

TP.ăH ăCHệăMINH,ăthángă06ăn mă2012

LU NăV NăTH CăS

CHUYểNăNGĨNH:ăăTHI TăB ,ăM NGăVĨăNHĨăMÁYă I N

MẩăS ă:ăă 60.52.50 CÁNăB ăH NGăD NăKHOAăH C: TS VÕ HOÀNG DUY

TP.ăH ăCHệăMINH,ăthángă06ăn mă2012

H U

Tp H Chí Minh, ngày 15 tháng 06 n m 2012

NHI MăV ăLU NăV NăTH CăS

H tên h c viên: Ph m Qu c Ph ng Gi i tính: Nam

NgƠy, tháng, n m sinh: 24/05/1979 N i sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Thi t b , m ng vƠ nhƠ máy đi n MSHV:1081031014

I TểNă TÀI

ắNGHIểNăC Uă NGăD NGăMỌăHỊNHăQUADROTORăTRONGăGIÁMă SÁTăVĨăC UăH ”ă

II NHI MăV ăVĨăN IăDUNG

1 Nhi măv ăc aăđ ătƠi:

 Nghiên c u các ph ng pháp đi u khi n Quadrotor

 Xác đ nh mô hình toán h c c a Quadrotor

 Xây d ng mô hình và thu t toán đi u khi n Quadrotor

 Mô ph ng mô hình Quadrotor s d ng Matlab Simulink

 Thi công mô hình Quadrotor đ ki m nghi m th c t

 Nh n xét k t qu đ t đ c và so sánh v i các k t qu đƣ đ c trong

vƠ ngoƠi n c

2 N iădungăc aăđ ătƠi:

 Ph n 1: Nghiên c u các ph ng pháp đi u khi n Quadrotor, t đó

đ a ra các v n đ c n gi i quy t đ ph c v cho vi c xơy d ng mô hình Quadrotor

 Ph n 2: Xác đ nh mô hình toán h c c a Quadrotor

 Ph n 3: Xây d ng mô hình và thu t toán đi u khi n, mô ph ng đáp

ng vƠ ng su t b ng ph n m m Matlab Simulink & Inventor

H U

Tôi xin cam đoan r ng lu n v n v i n i dung ắNghiênăc uă ngăd ngămôă

hìnhăQuadrotorătrongăgiámăsátăvƠăc uăh ”ălà công trình nghiên c u c a riêng

tôi, d i s h ng d n c a TS Võ Hoàng Duy

Các s li u, k t qu mô ph ng nêu trong lu n v n là trung th c, có ngu n trích d n và ch a đ c công b trong các công trình nghiên c u khác

Tp H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 n m 2012

Ng iăth căhi nălu năv n

Ph m Qu c Ph ng

V i lòng tri ân sâu s c, tôi mu n nói l i cám n đ n Th y TS Võ Hoàng Duy, ng i đã nhi t tình h ng d n và ch b o cho tôi trong su t th i gian th c

hi n nghiên c u đ tài này

Cám n lãnh đ o Khoa C – i n – i n t và quý Th y Cô trong khoa đã giúp đ tôi trong quá trình th c hi n đ tài

Cám n t t c các b n trong khóa h c, nh ng ng i cùng chung chí h ng trong con đ ng tri th c đ t t c chúng ta có đ c k t qu ngày hôm nay

C m n gia đình và nh ng ng i thân đã đ ng viên, h tr tôi trong su t

th i gian th c hi n nghiên c u này

Xin trân tr ng g i lòng tri ân và c m n quý Th y Cô

Tp H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 n m 2012

Ng iăth căhi nălu năv n

Ph m Qu c Ph ng

H U

M CăL C

M CăL C i

DANHăM CăCÁCăCH ăVI TăT T iii

DANHăM CăHỊNHă NH v

TịMăT T vi

ABSTRACT vii

Ch ng 1: M U 1

1.1 LỦ do ch n đ tƠi 1

1.2 M c đích nghiên c u 1

1.3 Ph ng pháp nghiên c u 2

1.4 Ph m vi nghiên c u 2

1.5 ụ ngh a khoa h c vƠ th c ti n 3

1.6 B c c c a lu n v n 3

Ch ng 2: T NG QUAN 4

2.1 L ch s phát tri n Quadrotor 4

2.2 t v n đ 6

2.3 Nhi m v vƠ m c tiêu c a lu n v n 7

Ch ng 3: C S I U KHI N 9

3.1 Gi i thi u Quadrotor 9

3.2 Ph ng trình chuy n đ ng .12

3.3 T ng quan v k thu t đi u khi n Quadrotor .18

Ch ng 4: MÔ PH NG 28

4.1 Xơy d ng mô hình Quadrotor trong Matlab Simulink .28

4.2 Mô hình matlab vƠ k t qu mô ph ng .31

Ch ng 5: THI CÔNG 36

5.1 Xơy d ng mô hình Quadrotor trong ph n m m Inventor .36

5.2 S đ kh i m ch đi u khi n gi a Quadrotor vƠ PC ậ Transmitter .40

5.3 Mô hình ki m tra l c đ y c a motor 40

H U

5.4 Xơy d ng giao di n Labview dùng đ giám sát .42

Ch ng 6: T NG K T 43

6.1 K t qu 43

6.2 Hi u qu kinh t , xƣ h i, giáo d c, an ninh, qu c phòng, ầ 44

6.3 H ng phát tri n 44

: Góc roll ( xoay quanh tr c XΨ

: Góc yaw ( xoay quanh tr c ZΨ

: Góc pitch ( xoay quanh tr c YΨ

u: V n t c dƠi theo tr c xB

v: V n t c dƠi theo tr c yB

w: V n t c dƠi theo tr c zB

u: Gia t c dƠi theo tr c xB

v: Gia t c dƠi theo tr c yB

w: Gia t c dƠi theo tr c zB

H U

DANHăM CăHỊNHă NH

Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1 4

Hình 2.2 Quadrotor c a Etienne Oemichen 5

Hình 2.3 B ch tu c bay 5

Hình 2.4 Draganflyer X-Pro 6

Hình 3.1 Quadrotor 9

Hình 3.2 Nguyên lí ho t đ ng c a Quadrotor 9

Hình 3.3 Tr ng thái l l ng 10

Hình 3.4 Tr ng thái bay lên/xu ng 10

Hình 3.5Tr ng thái nghiêng trái/ph i 11

Hình 3.6 Tr ng thái l t tr c/sau 11

Hình 3.7Tr ng thái xoay qua trái/ph i 12

Hình 3.8 H qui chi u quán tính và v t th (Kivrak, A, 2006 ) 13

Hình 3.9 Hình d ng c a cánh qu t 18

Hình 3.10 S đ kh i b đi u khi n PID 20

Hình 3.11 th PV theo th i gian, ba giá tr Kp (Ki và Kd lƠ h ng s Ψ 21

Hình 3.12 th PV theo th i gian, v i 3 giá tr Ki (Kp vƠ Kd không đ iΨ 22

Hình 3.13 th PV theo th i gian, v i 3 giá tr Kd (Kp and Ki không đ iΨ 23

Hình 3.14 S đ kh i dùng b l c Kalman đ l c tín hi u nhi u 25

Hình 3.15 Quá trình tính toán dùng b l c Kalman 25

Hình 3.16 Mô ph ng đáp ng dùng b l c Kalman 27

Hình 4.1 Kh i t o 12 bi n tr ng thái 29

Hình 4.2 Mô hình v n t c góc c a đ ng c 29

Hình 4.3 Mô hình đáp ng đ ng c a đ ng c 30

Hình 4.4 Mô hình đáp ng đ ng c a h th ng 30

Hình 4.5 Mô hình đi u khi n đ cao và góc xoay 30

Hình 4.6 Mô hình mô ph ng Quadrotor trong Matlab Simulink 31

Hình 4.7 Tr ng h p 1 Hình 4.8 Tr ng h p 2 31

Hình 4.9 Tr ng h p 3 Hình 4.10 Tr ng h p 4 32

Hình 4.11 Tr ng h p 5 Hình 4.12 Tr ng h p 6 32

Hình 5.1 Mô hình Quadrotor 2D 36

Hình 5.2 Mô hình Quadrotor 3D 37

Hình 5.3 Mô hình Quadrotor (trong ph n m m InventorΨ 38

Hình 5.4 K t qu mô ph ng ng su t vƠ chuy n v 38

Hình 5.5 Mô hình Quadrotor 39

Hình 5.6 S đ kh i m ch đi u khi n 40

Hình 5.7 Mô hình ki m tra l c đ y motor 40

Hình 5.8 B ng tham chi u t c đ đ ng c 41

Hình 5.9 th đáp ng l c đ y đ ng c 42

Hình 5.10 Giao di n giám sát Quadrotor 42

Lu n v n: “Nghiên c u ng d ng mô hình Quadrotor trong giám sát vƠ c u

h ” Nghiên c u nƠy đ c th c hi n mô ph ng trong môi tr ng MATLAB / Simulink vƠ k t qu cho th y r ng thu t toán đi u khi n PID cho phép Quadrotor bay n đ nh mƠ không t o ra dao đ ng

Mô hình Quadrotor đ c xơy d ng th công ph i có c u trúc c ng vƠ nh Quadrotor đ c thi t k trong m t kh i khép kín, h th ng ki m soát t l đo đ ng

l c trong khi bay thông qua m t c m bi n con quay h i chuy n 3 tr c vƠ m t c m

bi n góc nghiên hai tr c M t vi đi u khi n nh n tín hi u các c m bi n vƠ th c hi n

ki m soát t l trên b n đ ng c b ng cách thay đ i tín hi u PWM g i cho m i

đ ng c Các k t qu đi u khi n đ c g i l i đ n vi đi u khi n vƠ sau đó vi đi u khi n cung c p cho các đ ng c không ch i than tín hi u PWM đ thi t l p t c đ

mƠ t i đó đ ng c ph i quay.T c đ chuy n thƠnh m t l c gi cho Quadrotor n

đ nh

The thesis is: “ Research Aplication Modelling of Quadrotor for Monitoring and Rescue” Simulation studies are carried out in the MATLAB/Simulink environment and results show that the PID control algorithm allows for the Quadrotor to make steady corrections that do not break into an oscillation

Modelling of a Quadrotor for building a craft structure that was both stiff and lightweight I incorporated in my quadrotor a closed loop, proportional control system which measured in-flight dynamics via a three axis gyro and two dual axis tilt-sensors A microcontroller took these sensor inputs and performed proportional control on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors The controlled results and sent to the microcontroller which then provides the brushless motor drivers the pulse width modulated signal that specifies the speed at which the motors have to spin The speed translates into a force that keeps the Quadrotor stable

H U

1.1 LỦădoăch năđ ătƠi

Khoa h c vƠ công ngh có vai trò r t quan tr ng trong s nghi p công nghi p hóa vƠ hi n đ i hóa đ t n c, lƠ th c đo vƠ đ ng l c phát tri n c a m i qu c gia NgƠy nay, các nhƠ khoa h c v n luôn không ng ng nghiên c u vƠ phát tri n các

ng d ng nh m ph c v cho nhu c u ngƠy cƠng nơng cao c a con ng i Khoa h c

vƠ công ngh giúp chúng ta ngƠy cƠng v n cao h n, xa h n, sơu h nầ

Trong nh ng n m g n đơy, các vi n nghiên c u, tr ng đ i h c, trung tơm nghiên c u vƠ phát tri n công ngh trên th gi i đƣ đi sơu vƠo nghiên c u vƠ phát tri n ng d ng m t thi t b bay không ng i lái (UAVΨ có kh n ng đáp ng m t cách linh ho t các yêu c u c a con ng i

Trong khi đó Vi t Nam hi n nay v n ch a có m t công trình nghiên c u hoƠn

ch nh nƠo v UAV Các công trình nghiên c u v n ch m c đ nghiên c u trong các phòng thí nghi m M t s ng i đam mê bay ch th c hi n công vi c l p ghép các mô hình có s n ch ch a đi vƠo nghiên c u th c t vƠ áp d ng vƠo cu c s ng NgoƠi ra, các t li u vƠ đi u ki n ch t o UAV Vi t Nam c ng còn nhi u khó

kh n

T nh ng v n đ nêu trên, ng i th c hi n đƣ ch n đ tƠi:

“ Nghiênăc uă ngăd ngămôăhìnhăQuadrotorătrongăgiámăsátăvƠăc uăh ”

1.2 M căđíchănghiênăc u

tài: “Nghiênăc uă ngă d ngă môă hìnhăQuadrotor trong giámăsátăvƠăc uă

h ” đ c th c hi n nh m m c đích kh o sát mô hình v t lỦ, k t h p v i vi c xơy

d ng mô hình vƠ gi i thu t đi u khi n đ t đó đ a ra c s lỦ thuy t ph c v cho

vi c tính toán, thi t k ph n c ng vƠ ph n m m đi u khi n Quadrotor

H U

1.3 Ph ngăphápănghiênăc u

ng d ng ph ng pháp lu n c đi n t trong tính toán thi t k vƠ ch t o robot

ph ng pháp nƠy vi c thi t k có xét đ n tính liên ngƠnh vƠ tích h p h th ng, c

th :

 Nghiên c u các tƠi li u vƠ thi t k có s n trong vƠ ngoƠi n c

 Tính toán thi t k mô hình hóa vƠ mô ph ng đ đánh giá ch t l ng h th ng

vƠ lo i tr các l i khi thi t k

 Thi t k mô hình t ng h p d a trên mô hình o, bao g m: mô hình c khí,

mô hình đi u khi n, tích h p h th ng c m bi n

 Th nghi m, đánh giá vƠ hi u ch nh

1.4 Ph măviănghiênăc u

tƠi v Quadrotor lƠ m t đ tƠi khó, đòi h i ki n th c t ng h p nhi u l nh

v c nh : thi t k c khí, đ ng l c h c, khí đ ng h c, x lỦ tín hi u s , m ch đi n

t , đi u khi n, ghép n i máy tính, truy n thông không dơy, mô hình hóa, mô ph ng,

l p trình đi u khi n, l p trình giao di n,ầ trong khi nh ng đ tƠi trong n c nghiên

c u v Quadrotor lƠ không nhi u vƠ c ng ch a có k t qu thƠnh công m mƣn Do

đó, ng i th c hi n ch tr ng tơm đi sơu vƠo nghiên c u thi t b bay không ng i lái

có 4 cánh hay còn đ c g i lƠ Quadrotorv i m t s đi u ki n nh sau:

 Nghiên c u lo i Quadrotor 4 cánh công su t nh s d ng đ ng c không

ch i than

 S d ng các c m bi n góc vƠ gia t c

 Th i gian bay trong kho ng 5 phút

 Cho phép ho t đ ng trong phòng thí nghi m vƠ ngoƠi tr i

 L c nơng t i đa c a robot lƠ 1kg

 M c tiêu c a đ tƠi lƠ t p trung ch y u vƠo bƠi toán đi u khi n cơn b ng

c u đ c, lƠm tƠi li u tham kh o cho các công trình nghiên c u sau nƠy

1.5.2 ụăngh aăth căti n:

Tích h p camera wifi đ phơn gi i cao đ quay phim vƠ ch p nh g i v máy tính trong các ng d ng giám sát vƠ th m dò

Tích h p h th ng đ nh v toƠn c u GPS đ Quadrotor có th t bay không c n

ng i đi u khi n mƠ ch ph thu c vƠo các tr m đi u khi n m t đ t thông qua sóng wifi Vi c tích h p thêm h th ng đ nh v GPS lƠ m t b c ti p theo giúp cho quadrotor tr nên linh ho t h n trong quá trình th c hi n nhi m v

NgoƠi ra, vi c tích h p thêm m t s thi t b ph tr ph c v cho t ng lo i nhi m v c ng c n đ c quan tơm nh vi c l p thêm các c m bi n siêu ơm, c m

bi n t tr ng, c m bi n nh 3D ầ đ tránh v t c n, xơy d ng b n đ vƠ dò tìm

m c tiêuầ

Phát tri n đ tƠi v i các ng d ng trong quơn s nh tích h p thêm v khí đ có

th do thám vƠ t n công các m c tiêu nh m tránh th ng vong cho con ng i

1.6 B ăc căc aălu năv n

H U

Ch ngă2: T NGăQUAN

2.1 L chăs ăphátătri năQuadrotor

Chi c Quadrotor đ u tiên trên th gi i ra đ i n m 1907 do 2 anh em nhƠ khoa

h c ng i Pháp Charles Richet vƠ Charlaes Breguet ch t o Nó đ c mang tên lƠ

“Breguet - Richet Gyroplane No 1” Yêu c u đ c đ a ra lƠ nó có th c t cánh

kh i m t đ t v i 1 phi công M t đ ng c 8 xi lanh đ c s d ng đ quay 4 cánh

qu t.M i cánh qu t có 4 b n cánh H th ng dơy đai vƠ pu-li đ c g n lên nh m truy n đ ng t đ ng c cho các cánh B khung c a chi c quadrotor nƠy lƠm t các

ng thép T ng tr ng l ng c a nó vƠo kho ng 500kg L n bay th nghi m đ u tiên

di n ra t i Douai- Pháp vƠo n m 1907 Nó đƣ có th nơng cao kh i m t đ t 1,5 m

Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1

n n m 1920, Etienne Oemichen đƣ ch t o m t chi c quadrotor v i 8 cánh qu t linh ho t nh m đi u khi n vƠ t o l c đ y.Ban đ u, nó đ c g n thêm m t khí c u đ nơng vƠ gi n đ nh cho c máy nƠy.N m 1924, Oemichen đƣ thƠnh công khi cho chi c quadrotor bay mƠ không c n s tr giúp c a khí c u.Sau đó, nó không bao

gi đ c s d ng n a

b ng cách thay đ i đ n l ho c cùng lúc các góc xo n c a cánh qu t NgoƠi ra,

nócòn đ c g n thêm 4 cánh qu t lo i nh đ tr giúp đi u khi n Chi c quadrotor nƠy

đ c đ t tên lƠ ”B ch tu c bay” Nh ng d án nƠy b h y b vì kh n ng bay th p, giá thành cao

Hình 2.3B ch tu c bay

T đó, quadrotor không còn đ c chú Ủ nh tr c.Cho đ n nh ng n m 1980, quadrotor l i đ c quan tơm tr l i v i k t c u đ n gi n, kh n ng mang t i cao vƠ giá thƠnh th p

Chi c Draganflyer X-Pro c a hƣng sáng ch Draganfly, lƠ m t trong nh ng chi c

quadrotor th ng m i đi u khi n b ng sóng radio Nó đ c trang b m t b ng

m ch đi u khi n v trí, X-pro có th bay d dƠng so v i m t chi c tr c th ng

H U

thông th ng.Khung đ c lƠm b ng ng s i các-bon có tr ng l ng nh nh ng đ

b n.X-pro s d ng 3 c m bi n góc Gyro đ gi th ng b ng NgƠy nay, r t nhi u nhƠ nghiên c u s d ng X-pro nh m t ph ng ti n c b n ph c v cho các công

vi c nghiên c u

Hình 2.4Draganflyer X-Pro Công vi c nghiên c u v Quadrotor đƣ đ c quan tơm t lơu b i các nhóm nghiên

c u khác nhau trên th gi i đƣ ch ng t r ng quadrotor lƠ m t l a ch n t t cho các

ng d ng c a UAV so v i m t máy bay tr c th ng thông th ng.Quadrotor ngƠy cƠng đ c ng d ng r ng rƣi trong l nh v c quơn s c ng nh dơn s Nó đƣ mang

l i cho các nhƠ khoa h c thêm nhi u l a ch n cho công vi c nghiên c u

2.2 tăv năđ

UAV (Unmanned Arial Vehicle) lƠ m t thi t b bay có g n đ ng c nh ng không ng i lái, s d ng các l c khí đ ng h c đ di chuy n, có th bay t đ ng

ho c thông qua b đi u khi n t xa

Ngày nay, m t s l ng l n UAV đ c phát tri n d a trên các nhi m v yêu

c u đ c đ t ra Thông qua s l ng các UAV đang đ c s d ng cho th y không

th ph nh n kh n ng c a các ph ng tiên bay lên th ng b i tính ti n d ng vƠ linh

ho t trong ph m vi ho t đ ng h p Ph ng ti n bay lên th ng có th bay trong các khu v c th p h n so v i m t n c bi n vƠ cung c p chi ti t các thông tin v khu v c

đó thông qua các tr m đi u khi n

Các UAV đ c bi t đ n b i kh n ng th c hi n các nhi m v liên quan đ n các thi t b quơn s Sau khi chi n tranh l nh k t thúc, hƠng lo t các n c nh M , Tơy

Ểu, Ỏc, Israel, Trung Qu c, Nga đƣ đ u t cho các công trình nghiên c u vƠ phát

H U

tri n UAV Các lo i UAV ph c v cho các nhi m v quơn s khác nhau đ c thi t

k vƠ đ a vƠo th c t NgoƠi các thi t k dƠnh cho quơn s , các ng d ng cho các

l nh v c khác c ng đ c quan tơm nh quan sát núi l a, đi u tra môi tr ng, b o

d ng thi t b , gieo tr ng, phun thu c tr sơu trong nông nghi pầ NgƠy cƠng có nhi u các ng d ng th ng m i đ c phát tri n v i UAV

Quadrotor lƠ thi t b bay không ng i lái đ c đi u khi n t xa u đi m chính c a thi t b lƠ có kích th c nh g n, giá thƠnh th p, ho t đ ng linh

ho tầCác n c phát tri n trên th gi i đƣ đi sơu vƠo nghiên c u vƠ phát tri n trong kho ng m t th p niên g n đơy nh ng Vi t Nam thì thi t b nƠy ch b c đ u đ c sinh viên các Tr ng i h c Bách Khoa Tp.HCM, i h c S ph m K thu t, ầ

th c hi n trong các đ tƠi t t nghi p vƠ th c t ch a đi sơu vƠo nghiên c u mô hình toán h c c ng nh các v n đ v đ ng h c vƠ đ ng l c h c Bên c nh đó c ng có công trình nghiên c u vƠ ch t o c a k s Lê Công Danh đ c PGS-TS Lê Hoài

Qu c đánh giá cao nh ng hi n nay v n còn đang trong quá trình nghiên c u vƠ th nghi m

Qua th c ti n cho th y r ng đ có th thi t k vƠ ch t o thƠnh công m t s n ph m công ngh thì đòi h i ng i th c hi n ph i n m đ c lỦthuy t v ng ch c k t h p v i

kinh nghi m th c t Th c t c ng ch ng minh r ng mô hình Quadrotor đ c nghiên

c u vƠ ch t o Vi t Nam hi n nay v n c ng ch lƠ các d án vƠ các đ tƠi nghiên c u

ch a th ng d ng r ng rƣi trong th c t cu c s ng

T nh ng v n đ c p thi t nêu trên, ng i th c hi n đ tƠi nƠy mu n đi sơu vƠo

nghiên c u mô hình toán h c c a Quadrotor đ t đó khi ti n hƠnh thi t k vƠ thi công

mô hình bay th c t nh ng ng i th c hi n s có c s khoa h c v ng ch c

2.3 Nhi măv ăvƠăm cătiêuăc aălu năv n

2.3.1 Nhi măvu:

 Nghiên c u các ph ng pháp đi u khi n Quadrotor

 Xác đ nh mô hình toán h c c a Quadrotor

 Xây d ng mô hình và thu t toán đi u khi n Quadrotor

 Mô ph ng mô hình Quadrotor s d ng Matlab Simulink

2.3.2 M cătiêu:

 Mô t đ c mô hình toán h c c a 1 thi t b bay không ng i lái

 Xơy d ng thu t toán đi u khi n n đ nh vƠ chính xác

 Mô hình thi công ph i đáp ng đ c các v n đ v c khí vƠ đi u khi n, th m m , giá thƠnh th p

3.1.1 nhăngh a:ăQuadrotor có th đ c đ nh ngh a lƠ m t ph ng ti n bay có

4 cánh qu t g n lên phía cu i c a m t khung hình ch th p

Hình 3.1Quadrotor

3.1.2 Nguyênălíăho tăđ ng

Hình 3.2Nguyên lí ho t đ ng c a Quadrotor

C p cánh qu t phía tr c vƠ phía sau quay thu n chi u kim đ ng h , trong khi đó

c p cánh bên ph i vƠ bên trái l i quay ng c chi u kim đ ng h nh m cơn b ng men xoay đ c t o ra b i các cánh qu t trên khung C 4 cánh sinh ra m t l c đ y

mô-b ng nhau khi c t cánh n u quay cùng m t t c đ Góc nghiêng đ c đi u khi n khi thay đ i m i quan h v t c đ gi a cánh bên ph i vƠ bên trái sao cho gi nguyên t ng l c đ y sinh ra b i c p cánh nƠy T ng t , góc l t c ng đ c đi u khi n b i m i quan h gi a 2 t c đ c a 2 cánh phía tr c vƠ phía sau Góc xoay l i

đ c thay đ i nh vƠo s thay đ i v n t c c a cánh bên ph i vƠ bên trái liên quan

t i t c đ c a c p cánh phía tr c vƠ phía sau

Khi đó, t ng l c đ y sinh ra b i các c p cánh đ c gi không đ i cao c a Quadrotor thay đ i khi t ng ho c gi m đ ng th i t c đ c a các cánh qu t

H U

3.1.2.1 Tr ngătháiăl ăl ngă(Hover):

Quadrotor s bay l l ng trong không trung tr ng thái nƠy, t t c các

:lƠ l ng t ng ho c gi m c a đ bay lên hay h xu ng

L u Ủ: không đ c quá l n vì s nh h ng đ n đ n đ nh vƠ cơn b ng

3.1.2.3 Tr ngătháiănghiêngătrái/ph iă(Roll):

Quadrotor bay nghiêng bên trái ho c bên ph i, đ bay nghiêng bên ph i

(bên tráiΨ gi nguyên t c đ c a 2 cánh qu t tr c vƠ sau, t ng (gi mΨ t c đ c a cánh qu t bên trái vƠ gi m (t ngΨ t c đ cánh qu t bên ph i Khi đó moment sinh ra

H U

quay quanh tr c Xb làm cho t ng l c nơng c a các cánh qu t không còn n m theo

ph ng th ng đ ng mƠ theo ph ng chuy n đ ng

Hình 3.5Tr ng thái nghiêng trái/ph i Trong đó:

:là gia t c theo ph ng Xb.

:lƠ v n t c góc c a cánh qu t

, ( ): lƠ l ng t ng ho c gi m c a

3.1.2.4 Tr ngătháiăl tătr c/ăsauă(Pitch):

Quadrotor s bay t i tr c ho c bay lùi v sau T ng t nh khi bay nghiêng trái/ ph i, 2 cánh qu t trái vƠ ph i gi m t t c đ nh nhau Đ bay t i (lùiΨ đi u khi n t ng(gi mΨ t c đ c a cánh qu t sau vƠ gi m (t ngΨ t c đ cánh qu t

tr c, sinh ra moment xoay quanh truc Yb

Hình 3.6Tr ng thái l t tr c/sau Trong đó:

: lƠ gia t c theo ph ng Yb

:là v n t c góc c a cánh qu t

, ( ): lƠ l ng t ng ho c gi m c a

H U

3.1.2.5 Tr ng thái xoay qua trái/ph i (Yaw):

Quadrotor quay quanh tr c Zb i u khi n t c đ cánh qu t theo cách sau:

Qua đó, chúng ta có th th y r ng vi c đi u khi n bay c a quadrotor lƠ vi c

đi u khi n t c đ quay c a các đ ng c So sánh v i máy bay tr c th ng, vi c di chuy n c a máy bay tr c th ng ph thu c vƠo góc l ch gi a m t ph ng cánh vƠ

m t đ t, ph i có m t c c u c khí đ thay đ i góc l ch nƠy C c u c khí nƠy có

k t c u ph c t p nh m đáp ng đ chính xác i u nƠy d n đ n các sai s c khí trong quá trình đi u khi n bay Vi c đi u khi n t c đ các c p đ ng c c a quadrotor

s đ n gi n vƠ chính xác h n ơy lƠ m t u đi m c a Quadrotor

3.2 Ph ngătrìnhăchuy năđ ng

Quadrotor lƠ m t h th ng 6DOF, do đó dùng 12 bi n tr ng thái đ mô t , 6

bi n tr ng thái đ u tiên mô t đ cao vƠ nó thay đ i Các bi n , ,  ( các góc roll, pitch, yaw là góc Euler gi a h qui chi u v t th vƠ h qui chi u m t đ tΨ vƠ p,

q, r lƠ v n t c góc roll, pitch, yaw c a h qui chi u v t th

H quy chi u m t đ t E (oE, xE, yE, zEΨ đ c ch n theo qui t c tham chi u theo qui t c bƠn tay ph i, xEch h ng B c, yE ch h ng Tơy, zEh ng vuông góc v i

m t ph ng (xE,yEΨ vƠ h ng lên, oEg c c a h tr c t a đ

Hình 3.8H qui chi u quán tính và v t th (Kivrak, A, 2006 )

3.2.1 Maătr năNewtonăậ Euler

xác đ nh m i liên h gi a các vector nh m mô t chuy n đ ng c a v t

 Qui c kí hi u nh sau: ck=cosk, sk=sink, tk=tank

 Nhơn ba ma tr n quay quanh các tr c x, y, z

0 cos sincos

Ph ng trình tr ng thái mô t s thay đ i đ cao khi xoay trong h t a đ v t th

T c đ u, v, w đ c đo trong h t a đ v t th và vector v n t c có th xoay và thay

đ i trong cùng th i đi m (Blakelock 1991, p.10)

(3.13)

Ngo i l c tác đ ng Quadrotor g m t ng l c nơng c a 4 cánh qu t U1 vƠ tr ng l c

W L c nơng U1có h ng theo tr c z trong khi đó tr ng l c W có h ng theo tr c z

nh ng ng c chi u v i U1

Trong đó: I: Moment quán tính

: thay đ i theo đ cao

Th ph ng (3.20) và (3.21) vào (3.19Ψ ta đ c:

3.2.1.5 Momentăh iăchuy năc aăcánhăqu t:ă

nh h ng c a moment h i chuy n đ i v i các ph ng trình moment (Stepaniak 2008,p65)

Moment quán tính c a m t đ a hình ch nh t m ng có chi u cao h, chi u r ng w,

kh i l ng m (Segway & Jewett n.d, p.304Ψ

mô hình phi tuy n c a Quadrotor t i đi m c t trong khi Quadrotor tr ng thái l

l ng (Hover).B đi u khi n đ c phát tri n s d ng mô hình mô ph ng không phi tuy n (Matlab Simulink modelΨ.K t qu lƠ b đi u khi n đƣ n đ nh h th ng v t lỦ trong 3 giây

Castillo et al.2005 đƣ s d ng thu t toán LQR đ đi u khi n K t qu mô

ph ng lƠ đ t yêu c u.Khi có s nhi u lo n l n thì b đi u khi n đƣ không th n

đ nh h th ng

Bouabdallah et al.2005 đƣ th c hi n b đi u khi n LQR s d ng nhi u đi m c t

nh ng đƣ không th c hi n đ c đáp ng đ ng c a đông c trong mô hình v t lí nƠy

B đi u khi n này không t t h n v i b đi u khi n PID mà tác gi đƣ th c hi n

tr c đó

3.3.3 i u khi n ∞

Chen & Huzmezan 2003 đƣ s d ng gi i thu t ∞ đ thi t k b đi u khi n 2DOF k t h p v i b đi u khi n MPC (mô hình đi u khi n tiên đoánΨ đ đi u khi n v trí.Mô ph ng đƣ cho k t qu n đ nh

 T nh ng k t qu vƠ đánh giá qua các gi i thu t đi u khi n nêu trên,

gi i thu t đi u khi n ∞k t h p v i MPC c a 2 tác gi Chen & Huzmezan lƠ t t

nh t nh ng b đi u khi n nƠy ch đi u khi n h th ng 2DOF trong khi mô hình Quadrotor lƠ 6DOF, do đó ng i th c hi n đƣ ch n thu t toán PID đ th c hi n vi c thi t k b đi u khi n cho Quadrotor trong đ tƠi nƠy

3.3.4 Thu tătoánăPID

3.3.4.1 i uăkhi năPIDălƠăgì?

B đi u khi n PID (Proportional-Integral-DerivativeΨ lƠ m t b

hi u ch nh có ph n h i nh m lƠm giá tr sai l ch c a m t tín hi u đang đ c đi u khi n b ng 0 B PID có 3 thƠnh ph n:

 Proportional: t l

 Integral: tích phân

 Derivative: đ o hƠm

bi n Giá tr sai l ch lƠ tín hi u c a tín hi u đ t (setpointΨ tr cho tín hi u ph n h i

3.3.4.2 LỦăthuy tăđi uăkhi năPID

Hình 3.10S đ kh i b đi u khi n PID

S đ đi u khi n PID đ c đ t tên theo ba khơu hi u ch nh, t ng c a ba khơu nƠy

t o thƠnh b i các bi n đi u khi n (MVΨ

Ta có:

Trong đó:

, , : lƠ các thƠnh ph n đ u ra t ba khơu c a b đi u khi n PID

 Khâu P:Khơu t l (đôi khi còn đ c g i lƠ đ l iΨ lƠm thay đ i giá tr đ u

ra, t l v i giá tr sai s hi n t i áp ng t l có th đ c đi u ch nh b ng cách nhơn sai s đó v i m t h ng s Kp, đ c g i lƠ đ l i t l