đặt vấn đề về độ vững chắc với thiết kế rất cứng cáp vững vàng bù lại đó là sự nặng nề và tiêu hao năng lƣợng lớn. Mỗi thiết kế đều có đặc điểm riêng tƣơng ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu. Các công trình liên quan nổi bật Vì tính chất đơn giản trong kết cấu cơ khí và tính linh động trong việc điều khiển cũng nhƣ tiềm năng ứng dụng rất lớn vào thực tế của mô hình này mà quadrotor đã và đang đƣợc nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu phát triển trở thành sản phẩm thƣơng mại. Sau đây tác giả luận văn xin đƣợc giới thiệu một vài sản phẩm điển hình.
Draganflyer X-Pro (Draganfly) Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thƣơng mại điều khiển bằng sóng radio. Nó đƣợc trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực thăng thông thƣờng. Khung đƣợc làm bằng ống sợi carbon có trọng lƣợng nhẹ nhƣng đủ bền. X- Pro sử dụng cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng.1: Draganflyer X-Pro Các thông số kỹ thuật: Có thể nâng đƣợc tối đa 1360g.
Đƣợc điều khiển bằng bộ vô tuyến 9 kênh FM (PCM). Trang 2 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Khung bằng carbon. Vận hành bằng pin 6000mAh 14. Thời gian bay 20 phút.
Có mang theo camera để gian sát và chụp không ảnh. Phantom FC40 Hình 1.2: Phantom FC40 Phantom FC40 là mô hình quadrotror đƣợc sản xuất bởi hãng DJI. Đƣợc trang bị với những động cơ độc quyền của DJI vận hành êm, mƣợt, ít gây nhiễu lên cảm biến, nâng cao độ ổn định, đồng thời tiêu tốn năng lƣợng ít, kéo dài hơn thời gian thực hiện chuyến bay. Bên cạnh đó khung của Phantom FC40 có độ cứng tốt và độ ổn định cao nhờ sử dụng bộ cân bằng điện tử chuẩn giao tiếp tốc độ cao I2C.
MD4-200 (microDrones) MD4-200 là một sản phẩm thƣơng mại nổi tiếng khả năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hoàn hảo, đổi hƣớng không bị mất thăng bằng, kết hợp với camera hoặc 1 máy chụp hình có độ phân giải cao, kèm theo cơ cấu chống rung cho thiết bị ghi hình, những dữ liệu đƣợc mô hình ghi lại rất sắc nét và không bị rung. MD4-200 có thể đƣợc điều khiển bằng remote hoặc bay tự động bằng GPS, thiết bị có thể bay tới độ cao 1000m. Khung của MD4-200 tất cả đều bằng kim carbon vì thế rất nhẹ và chịu va đập tốt, ngoài ra do làm bằng carbon nên khung của MD4-200 hoạt động nhƣ một vỏ bọc có khả năng chống các lại nhiễu điện từ. Trang 3 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.3: Mô hình MD4-200 1.
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Ở Việt nam thì thiết bị bay này chỉ bƣớc đầu đƣợc các sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật,. thực hiện trong các đề tài tốt nghiệp và thực tế chƣa đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán học cũng nhƣ các vấn đề về động học và động lực học. Năm 2009, công trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” do kỹ sƣ Lê Công danh, giảng viên Khoa Cơ Khí trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.HCM làm chủ nhiệm, kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy là ngƣời nghiên cứu chính, đã đƣợc nghiệm thu tại Sở Khoa Hoc – Công Nghệ Tp. Để đảm bảo độ nhẹ của mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật lieuj là nhôm và sợi carbon để chế tạo khung máy bay.
So với các máy nay mô hình đang bán trên thị trƣờng, sản phẩm này có mạch điện điều khiển phức tạp hơn, giúp ngƣời sử dụng dễ dàng điều khiển hơn, ngƣời chƣa sử dụng bao giờ cũng có thể điều khiển đƣợc. Trong năm 2010, từ thành công của kỹ sƣ Phạm Ngọc Huy. Việc chế tạo quadrotor đã trở thành trào lƣu lớn trong các nhóm chơi máy bay mô hình. Kết quả là nhiều máy bay quadrotor đã bay lên thành công từ những ngƣời đam mê mô hình.
Tuy nhiên, do hệ thống cảm biến chỉ dùng gryoscope đo chuyển động theo 3 trục, không có cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy ra hiện tƣợng “trôi”, khả năng bay của mô hình vẫn phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm của ngƣời điều khiển. Trang 4 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Ở các trƣờng đại học, nhiều sinh viên năm 3-4 đã chọn quadrotor làm đề tài nghiên cứu, thoã mãn nhu cầu học tập của mình. Tuy nhiên, kết quả của những đồ án náy vẫn chƣa đƣợc mỹ mãn. Do những khó khăn và hạn chế nhƣ thời gian tiếp xúc, nghiên cứu, tìm hiểu ngắn, thiếu kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị bay nên vẫn còn những tồn tại sinh viên chƣa khắc phục đƣợc.
Hiện tại cẫn còn một số đề tài mà mô hình chƣa bay lên thành công. Điển hình nhƣ nhóm sinh viên ngành Cơ Điện Tử trƣờng ĐH Công Nghiệp Hà Nội đã không khắc phục đƣợc vấn đề nhiễu của cảm biến gia tốc, chỉ dùng tín hiệu của gryoscope để điều khiển nên mô hình vẫn chƣa thể bay cân bằng. Các phƣơng pháp điều khiển quadrotor hiện có Hệ thống quadrotor là một đối tƣợng nghiên cứu rất phổ biến trong thời gian gần đây. Nó vốn là một hệ thống phi tuyến không ổn định, và chứa nhiều thành phần bất định nhƣ động học không mô hình, sự biến thiên của các thông số và nhiễu loạn.
Có nhiều lý thuyết và phƣơng pháp thiết kế cân bằng hệ thống quadrotor trong các công bố của các thập niên qua. Điển hình là 2 phƣơng pháp điều khiển PID và LQR. Tác giả Tommaso Bresciani trong tài liệu tham khảo [4] đã sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao của quadrotor khi bay ở chế độ lơ lửng. Bộ điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên mô hình phi tuyến của quadrotor tại điểm cắt khi quadrotor ở trạng thái lơ lững.
Bộ điều khiển đƣợc phát triển sử dụng mô hình mô phỏng không phi tuyến (Matlab simulink model). Kết quả là bộ điều khiển đã ổn định vật lý trong 3 giây, tuy nhiên hệ thống không ổn định trong môi trƣờng nhiều tác động nhiễu. Trong tài liệu tham khảo [6], nhóm tác giả đã thực hiện bộ điều khiển LQR để điều khiển quadrotor. Kết quả mô phỏng là đạt yêu cầu, nhƣng khí có sự nhiễu loạn lớn thì bộ điều khiển đã không thể ổn định hóa hệ thống.
Kết quả của 2 phƣơng pháp này trả về là rất khả thi, bộ điều khiển cho kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm khá tốt, tuy nhiên khi có tác động nhiễu thì hệ thống không còn ổn định và việc xác đinh giá trị P, I, D, L, Q, R trong phƣơng pháp PID và LQR tốn nhiều thời gian và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế. Trang 5 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong những năm gần đây các phƣơng pháp thiết kế phi tuyến nhƣ điều khiển backsteping (điều khiển cuốn chiếu), điều khiển trƣợt, điều khiển ổn định hóa vào ra, Fuzzy logic… đƣợc tập trung nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh. Nhóm tác giả Ashfaq Ahmad Mian and Wang Daobo trong tài liệu tham khảo [9] đã tiến hành xây dựng bộ điều khiển cuốn chiếu và kết quả trên mô phỏng bằng Matlab Simulink model là rất khả quan. Bộ điều khiển đạt độ ổn định cao, duy trì đƣợc các góc roll, pitch, yaw và nhanh chóng bám theo tín hiệu đặt ban đầu của hệ thống.
Tuy nhiên 50% lần thử nghiệm bay thực tế lại thất bại. Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lƣợng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. Luận văn không có tham vọng đề xuất một cách điều khiển hoàn toàn mới mà chỉ giải quyết ở mức độ tổng hợp các công trình nghiên cứu trƣớc đây và kết hợp với các tài liệu nền móng về điều khiển kể cả điều khiển tuyến tính và điều khiển phi tuyến, lựa chọn ra các phƣơng án phù hợp, điều chỉnh các hệ số, thay đổi kết cấu của mỗi bộ điều khiển để phù hợp với quadrotor thử nghiệm. So sánh rất nhiều bộ điều khiển nhƣ PID, LQR, Lyapunov, điều khiển mờ, điều khiển cuốn chiếu, điều khiển trƣợt… học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển bền vững quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID.
Mục đích của phƣơng pháp này là tác giả luận văn muốn khắc phục các nhƣợc điểm mà bộ điều khển PID kinh điển không thể khắc phục đƣợc. Mục tiêu của luận văn là hƣớng tới điều khiển ổn định mô hình bám theo tín hiệu đặt X, Y, độ cao Z và góc xoay Yaw. Phạm vi nghiên cứu Đề tài quadrotor là một đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp ở nhiều lĩnh vực nhƣ: thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, điều khiển, truyền thông, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển. Để điều khiển một quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới 4 tín hiệu điều khiển độc lập cho 4 cánh của mô hình.
Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai cũng rất đa dạng. Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài điều khiển ổn định hóa quadtrotor sử dụng bộ điều khiển mờ PID. Luận văn sẽ đi sâu vào thí nghiệm tìm thông số cho bộ điều khiển, từ đó lấy số liệu về đáp ứng đầu ra, thống kê số liệu để tạo điều kiện cho những nghiên cứu tiếp theo. Trang 6 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Các công việc thực hiện trong đề tài: Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển quadrotor.
Xác định mô hình toán học quadrotor. Xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển mờ PID quadrotor. Mô phỏng mô hình quadrotor sử dụng phần mềm Matlab Similink phiên bản 2013a. Hiện thực thuật toán điều khiển đƣa vào sử dụng board điều khiển.
Nhận xét kết quả đạt đƣợc và so sánh với các kết quả đã đạt đƣợc trong và ngoài nƣớc. Trên cơ sở những kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm thực tế, học viên tiến hành phân tích những ƣu khuyết điểm từ đó tìm ra hƣớng tốt hơn để cải thiện bộ điều khiển cũng nhƣ nâng cao hơn độ chính xác của kết quả. Tóm lƣợc nội dung luận văn Luận văn gồm 5 chƣơng với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, xu hƣớng phát triển của các mô hình tƣơng tự nhƣ trong luận văn. Khả năng ứng dụng thực tiễn, những ƣu khuyết điểm của mô hình, mức độ áp dụng của các thuật toán.