CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. MEMS INS INS (Inertial Navigation System) là một thiết bị chuyên dụng dùng để đo lường các giá trị gia tốc, góc quay, véc-tơ trọng trường và thiết bị định vị để xác định hướng dịch chuyển của một vật thể đa số được sử dụng trên các phương tiện chuyển động trong không gian như máy bay, UAV, tàu thuyền, UGV. Hệ thống này sử dụng các cảm biến IMU bao gồm các cảm biến như cảm biến gia tốc (Acclerometers), con quay hồi chuyển (Gyroscope) và có thể có thêm cảm biến từ trường (Magnetometers) hay còn được biết đến như la bàn số. IMU thường đươc ̣ dùng để đo chuyển động của các phương tiện vận chuyển hoặc robot tự hành.
Trước đây những năm 60 thì hệ thống này thường sử dụng bằng những hệ thống cảm biến bằng cơ có cấu tạo và phương thức hoạt động rất phức tạp, và có thể tốn hàng triệu đô la cho một hệ thống đo lường quán tính INS.1 INS cơ sử dụng trong máy bay Concord. Nhờ vào công nghệ sản xuất linh kiện bán dẫn phát triển mà công nghệ MEMS INS đã ra đời khoảng vào những năm 1980’s, đã tạo nên bước ngoặt thay đổi cho toàn bộ công nghệ cảm biến với cấu trúc nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, độ chính xác như cảm biến cơ và giá thành lại rất rẻ. Chính vì những lý do này mà các cảm biến MEMS INS sẽ được sử dụng trong đề tài nghiên cứu VTOL UAV này. PID Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: Proportional(tỉ lệ), Integral(tích phân), Derivative(vi phân).
Giá trị tỉ lệ xác định tác 4 động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số trước đấy, giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. t d uz t K p ez t Ki ez d Kd z t 0 dt (1) ez t zref t z t Trong đề tài nghiên cứu này nhóm sử dụng giải thuật PID để điều chỉnh đồng bộ đầu ra của động cơ từ dữ liệu phản hồi được lấy từ dữ liệu đã qua lọc của cảm biến 6 trục MPU6050 để giữ luôn thăng bằng thiết bị bay bay ổn định trên không trung và thực hiện các chuyển động quay, chuyển động dịch chuyển. Bộ lọc Kalman Bộ lọc Kalman được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, phổ biến nhất là trong các ứng dụng định hướng. Thậm chí trong hệ thống định vị, hệ thống điện tử hàng không vũ trụ cũng sử dụng để xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển con quay hồi chuyển.
Bộ lọc Kalman là một dạng xử lý có chức năng dự đoán và chỉnh sửa, bằng việc sử dụng các phương trình tính đệ quy để dự tính trạng thái theo trung bình độ lệch quân phương của giá trị của tín hiệu nhiễu cần đo. 2 Quá trình rời rạc tuyến tính. Với quá trình rời rạc tuyến tính hình trên, ta có phương trình không gian trạng thái: x k Ax Bu k k 1 k k w k 1 y k Cx k k (2) y k y vk k Trong đó k là điểm rời rạc trong miền thời gian; u k là vector đầu vào; x k là vector trạng thái mà có thể quan sát nhưng không đoc được; y k là vector chỉ đầu ra của quá trình; y k là vector đo giá trị đầu ra; wk v k là nhiễu quá trình và nhiễu đầu ra, thường được coi là 0 vì là nhiễu Gaussian tương ứng của hiệp phương sai Q k và R k. Bộ lọc Kalman được chia làm 2 phần thuật toán dự đoán và thuật toán điều chỉnh: 5 Hình 1.3 Phương thức hoạt động của Kalman Filter.
Thuật toán dự đoán: xˆ k A xˆ k k 1 Bu k k (3) T P k Ak P k 1 Ak Q k (4) Thuật toán điều chỉnh: 1 T T K k PkC k C kPkC k Rk (5) xˆ k xˆ k K y C xˆ k k k k (6) P k I KC P k k k (7) Bộ lọc Kalman góp phần rất quan trọng trong việc lọc nhiễu dữ liệu của các cảm biến đo trạng thái của thiết bị bay trước khi đưa vào tính toán góc nghiêng và PID. VTOL UAV VTOL UAV (Vertical Take-off Or Landing Unmanned Aerial Vehicle) – Thiết bị bay không người lái cất/hạ cánh thẳng đứng là một loại thiết bị bay, được điều khiển từ xa hoặc bán tự động dưới sự giám sát của người điều khiển thiết bị bay. UAV đã và đang được nghiên cứu rất nhiều về các thiết kế mô hình khí động học phức tạp và cũng như các giải pháp để điều khiển như điều khiển PID, điều khiển LQR. Sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu đối với thiết kế của thiết bị bay không người lái đang phát triển nhanh với mục đích là sản xuất ra các thiết bị rẻ hơn và đáp ứng tốt hơn.
Các ứng dụng cho quân sự và dân sự trải dài từ theo dõi, trinh sát cho đến tìm kiếm và giải cứu, nhưng hơn tất cả là để tránh gây ra các rủi ro cho phi hành đoàn. 6 Nhờ có cấu trúc cơ khí và hệ thống điều khiển, máy bay nhỏ nhiều rotor có một vài ưu điểm lợi thế hơn so với máy bay không người lái hạ cánh và cất cánh thẳng đứng.4 VTOL UAV Hexacopter. Gần đây, thiết kế UAV đang dần thay đổi thành các thiết kế nhiều hơn 4 động cơ, các thiết kế 6 động cơ đang dần thịnh hành trong các năm vừa qua nhờ khả năng mang được trọng lượng nặng hơn và xử lý được nhiều vấn đề khi động cơ hỏng. Bởi vì lý do này, trong nghiên cứu này,nhóm sẽ sử dụng hệ thống bay 6 động cơ, hay còn được gọi là hexacopter hoặc drone.
6 rotor được đặt ở các đỉnh của hình lục giác và hệ thống đẩy bao gồm 3 đôi cánh quay ngược chiều nhau. Để xây dựng một mô hình toán học cho drone trên thân vật thể, động lực học của nó được thể hiện qua các phương trình vi phân Newton-Euler, khảo sát cả ảnh hưởng bên trong lẫn bên ngoài tác động đến UAV. Thực chất, tham số góc Euler, mô tả góc quay của máy bay, được thay bằng công thức động học quaternion. Yếu tố để quyết định tính hoạt động ổn định của thiết bị bay chính là sự ổn định khi gặp những sự thay đổi đột ngột của môi trường (như gió, nhiễu không khí, vật thể bay trong không gian, .) và khả năng phục hổi từ những biến nhiễu từ hệ thống cảm biến hoặc sự rung động do động cơ gây ra.
Và yếu tố thứ hai là điều chỉnh tham số PID cho bộ điều khiển tuning mềm PID tầng. 7 Các hệ số PID ảnh hưởng thế nào đến drone? Thay đổi trị số PID sẽ gây ảnh hưởng đến hành vi của drone theo nhiều cách khác nhau. Độ lợi P Độ lợi P quyết định việc bộ điều khiển bay sửa lỗi với tốc độ thế nào để bay được theo đường bay mong muốn (đến vị trí mà người điều khiển muốn máy bay đến bằng cách gạt cần điều khiển) Nó giống như tùy chỉnh độ nhạy và tốc độ đáp ứng. Độ lợi P cao có nghĩa là việc điều khiển sẽ “sắc” hơn và độ lợi P thấp là việc điều khiển sẽ “mềm” hơn.
Nếu P quá cao, máy bay sẽ nhạy quá với các lỗi, thường hay sửa vượt ngưỡng và dần dần sẽ bị overshoot, gây ra hiện tượng rung lắc và dao động mạnh. Ta có thể giảm P để giảm độ dao động, nhưng giảm quá thì máy bay sẽ phản ứng rất chậm chạp. Độ lợi I Độ lợi I quyết định việc bộ điều khiển bay giữ vị trí như thế nao khi gặp ngoại lực, như là gió hoặc lệch trọng tâm. Nó giống như thông số điều chỉnh độ “rắn” khi máy bay đứng yên, và nó giữ vị trí tốt ra sao.
Khi I quá thấp thì thường ta hay phải điều chỉnh đường bay của máy bay nhiều bằng điều khiển, nhất là những lúc gạt throttle. Nếu độ lợi I quá cao, máy bay sẽ bị hạn chế quá mức và dần trở nên cứng và không phản hồi. Nó cũng giống như việc phản ứng của máy bay chậm và độ lợi P bị giảm. Trong một số trường hợp, độ lợi I quá lớn cũng có thể gây ra hiện tượng dao động nhẹ.
Một vấn đề nữa mà độ lợi I có thể giải quyết hoặc cải thiện là đồng bộ tốc độ quay của động cơ. Trên thực tế, không một chiếc ESC, động cơ hay cánh nào là giống nhau cả, nên chúng sẽ cần lực đẩy khác nhau khi quay trong cùng 1 môi trường. Khi ta giảm throttle đột ngột, một động cơ có thể tăng và giảm số vòng quay nhanh hơn những động cơ khác và khiến cho máy bay có hiện tượng mất độ cao không mong muốn. Ta có thể tăng độ lợi I để “sửa” những lỗi nhỏ này khi bay.
Độ lợi D Độ lợi D giúp giảm xóc, giảm thiểu việc sửa vượt ngưỡng và vọt lố gây ra bởi độ lợi P. Giống như 1 bộ giảm xóc, thêm độ lợi D giúp “làm mềm” và chống lại dao động gây ra bởi độ lợi P cao, đồng thời giảm thiểu tối đa hiện tượng dao động mạnh khi giảm độ cao. Khi D quá thấp, máy bay sẽ không lấy lại được độ cân bằng ở cuối các khúc lượn, đồng thời sẽ dao động mạnh khi hạ cánh hoặc giảm độ cao. Tăng D sẽ cải thiện các vấn 8 đề này, nhưng D quá cao sẽ gây rung lắc máy bay vì nó tăng độ nhiễu hệ thống.
Dần dần sẽ khiến cho động cơ quá nóng và máy bay bị dao động mạnh. Một tác dụng phụ nữa của việc tăng D quá đà là làm giảm độ phản hồi của máy bay. 9 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ 2. Xử lý tín hiệu IMU, GPS và chế tạo module cảm biến Đối với các thiết bị bay nói chung và VTOL UAV nói riêng thì điều quan trọng nhất là xác định được chính xác thông tin như vị trí góc nghiêng, tốc độ góc, độ cao, vận tốc, tọa độ vị trí từ các cảm biến.
Thông thường tín hiệu gốc của cảm biến rất nhiễu, các tín hiệu nhiễu này gây ra bởi các yếu tố như độ sai lệch khi sản xuất, do nhiệt độ, do nhiễu nguồn, đường tín hiệu. Do vậy tín hiệu của các cảm biến sẽ được hiệu chuẩn thông qua các bộ lọc sử dụng giải thuật, và kết quả của việc xử lý đã cho kết quả dữ liệu IMU rất tốt.