Phát Triển Bộ PID Mềm Tự Chỉnh Ứng Dụng Trong Điều Khiển Cân Bằng Thiết Bị VTOL UAV

• Tác giả: Nguyễn Nhật Anh
• Người hướng dẫn: Ts. Ngô Thanh Bình
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử, Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Phát Triển Bộ Pid Mềm Tự Chỉnh Ứng Dụng Trong Điều Khiển Cân Bằng Thiết Bị Vtol Uav
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2019

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. MEMS INS
• 1.2. PID
• 1.3. Bộ lọc Kalman
• 1.4. VTOL UAV
• 1.5. Các hệ số PID ảnh hưởng thế nào đến drone?
• 1.5.1. Độ lợi P
• 1.5.2. Độ lợi I
• 1.5.3. Độ lợi D
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ
• 2.1. Xử lý tín hiệu IMU, GPS và chế tạo module cảm biến
• 2.1.1. Xử lý tín hiệu IMU
• 2.1.2. Xử lý dữ liệu từ trường
• 2.1.3. Chế tạo mô-đun cảm biến
• 2.2. Xây dựng mô hình khung tự cân bằng
• 2.3. Áp dụng bộ lọc và thuật toán PID
• 2.3.1. Bộ lọc Kalman Filter
• 2.3.2. Bộ điều khiển PID tầng
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PID MỀM TỰ CHỈNH TRÊN VTOL UAV HEXACOPTER
• 3.1. Tính toán và xây dựng mô hình VTOL UAV Hexacopter
• 3.1.1. Ma trận quay
• 3.1.2. Mô-men lực
• 3.1.3. Mô hình động học Hexacopter
• 3.1.4. Mô hình hệ thống Hexacopter
• 3.1.5. Mô phỏng mô hình hệ thống VTOL UAV Hexacopter trên Matlab
• 3.2. Thử nghiệm mô hình VTOL UAV Hexacopter
• KẾT LUẬN
• 4.1. Kết quả nghiên cứu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Bộ PID Mềm Tự Chỉnh Trong Điều Khiển UAV

Bộ PID mềm tự chỉnh là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điều khiển UAV, đặc biệt là trong việc duy trì sự cân bằng cho các thiết bị VTOL. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ ổn định mà còn tối ưu hóa hiệu suất bay của UAV. Việc áp dụng bộ điều khiển PID mềm tự chỉnh cho phép UAV tự động điều chỉnh các thông số điều khiển, từ đó nâng cao khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau.

1.1. Khái Niệm Về Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong kỹ thuật tự động hóa. Nó bao gồm ba thành phần chính: tỉ lệ, tích phân và vi phân, giúp điều chỉnh đầu ra của hệ thống dựa trên sai số hiện tại, tổng sai số và tốc độ thay đổi của sai số.

1.2. Lợi Ích Của Bộ PID Mềm Tự Chỉnh

Bộ PID mềm tự chỉnh mang lại nhiều lợi ích cho việc điều khiển UAV, bao gồm khả năng tự động điều chỉnh thông số, giảm thiểu sai số và cải thiện độ ổn định trong quá trình bay. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như khảo sát địa hình hay cứu hộ.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Cân Bằng UAV VTOL

Điều khiển cân bằng cho UAV VTOL gặp nhiều thách thức do sự phức tạp trong động lực học và các yếu tố môi trường. Các yếu tố như gió, trọng lực và sự thay đổi trọng tâm có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng bay ổn định của UAV. Việc phát triển một bộ điều khiển hiệu quả là rất cần thiết để giải quyết những vấn đề này.

2.1. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến UAV

Môi trường xung quanh có thể gây ra nhiều ảnh hưởng đến UAV, từ gió mạnh đến sự thay đổi nhiệt độ. Những yếu tố này có thể làm giảm hiệu suất bay và gây ra hiện tượng rung lắc, dẫn đến mất kiểm soát.

2.2. Thách Thức Trong Việc Tối Ưu Hóa Thông Số PID

Việc tối ưu hóa thông số PID cho UAV là một thách thức lớn, đặc biệt khi UAV hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Cần có các thuật toán tự động để điều chỉnh thông số PID nhằm đảm bảo UAV luôn duy trì được sự ổn định.

III. Phương Pháp Phát Triển Bộ PID Mềm Tự Chỉnh

Phát triển bộ PID mềm tự chỉnh cho UAV VTOL yêu cầu một quy trình nghiên cứu và thử nghiệm kỹ lưỡng. Các bước bao gồm thiết kế mô hình, lập trình thuật toán và thử nghiệm thực tế để đảm bảo tính hiệu quả của bộ điều khiển.

3.1. Thiết Kế Mô Hình UAV

Mô hình UAV cần được thiết kế với các thông số kỹ thuật rõ ràng, bao gồm kích thước, trọng lượng và cấu trúc động cơ. Việc này giúp đảm bảo rằng bộ PID mềm tự chỉnh có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Lập Trình Thuật Toán PID

Lập trình thuật toán PID cho UAV bao gồm việc xác định các thông số tỉ lệ, tích phân và vi phân. Các thuật toán này cần được tối ưu hóa để đảm bảo UAV có thể tự động điều chỉnh và duy trì sự cân bằng trong quá trình bay.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ PID Mềm Tự Chỉnh

Bộ PID mềm tự chỉnh có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực UAV, từ khảo sát địa hình đến cứu hộ. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất bay mà còn giảm thiểu rủi ro trong các nhiệm vụ khó khăn.

4.1. Khảo Sát Địa Hình

UAV được trang bị bộ PID mềm tự chỉnh có thể thực hiện các nhiệm vụ khảo sát địa hình một cách chính xác và hiệu quả. Điều này giúp các kỹ sư có thể thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và an toàn.

4.2. Nhiệm Vụ Cứu Hộ

Trong các tình huống khẩn cấp, UAV có thể được sử dụng để tìm kiếm và cứu hộ. Bộ PID mềm tự chỉnh giúp UAV duy trì sự ổn định trong các điều kiện khó khăn, từ đó nâng cao khả năng thực hiện nhiệm vụ.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Bộ PID Mềm Tự Chỉnh Trong UAV

Bộ PID mềm tự chỉnh hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến trong tương lai. Với sự tiến bộ của công nghệ, khả năng tự động hóa và tối ưu hóa sẽ ngày càng cao, giúp UAV hoạt động hiệu quả hơn trong nhiều lĩnh vực.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ UAV

Công nghệ UAV đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng mới được nghiên cứu và triển khai. Bộ PID mềm tự chỉnh sẽ là một phần quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của UAV.

5.2. Tương Lai Của Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID sẽ tiếp tục được cải tiến với các thuật toán mới và công nghệ tiên tiến, giúp UAV hoạt động ổn định và hiệu quả hơn trong các nhiệm vụ phức tạp.