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 lượng lớn. Mỗi thiết bị đều có đặc điểm riêng tương ứng với các mục đích chế tạo và nghiên cứu. Trang 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ ❖ Mô hình Mesicopter Hình 1. Mô hình Mesicopter.
Được trang bị với những động cơ Supermini, kích thước của Mesicopter nhỏ gọn một cách ấn tượng, chỉ tương đương với một đồng xu, cả mô hình nằm gọn trong lòng bàn tay con người. Với kích thước đặc biệt nhỏ, hứa hẹn ứng dụng của Mesicopter trong lĩnh vực tình báo, cũng như giám sát là rất cao, nhưng đi kèm theo nó cũng cần phát triển một hệ thống các thiết bị siêu nhỏ khác. Với đề tài X4-flyervới một kết cấu cơ khí vững chắc khả năng chịu lực cũng như nâng vật của máy bay là rất điển hình, ngoài phần thân đã nặng 4kg, Quadrotor này còn có thể mang thêm 1kg tải kèm theo. Trang 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ ❖ MD4-200 (microDrones GmbH).
MD4-200 là mẫu ấn tượng nhất. Đây là một sản phẩm thương mại đã được đăng kí, khả năng giữ thăng bằng trong khi di chuyển của nó là rất hoàn hảo, đổi hướng 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 được mô hình ghi lại rất sắc nét và không bị rung. Các phương pháp điều khiển Quadrotor Đi theo khả năng ứng dụng cao, hướng phát triển rộng, các nghiên cứu về quadrotor đã được chú ý rất lớn qua nhiều công trình nghiên cứu. Các đề tài khoa học của nhiều trường đại học cũng như các viện nghiên cứu trên thế giới đã có nhiều cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế cân bằng hệ thống Quadrotor trong các công bố của các thập niên qua, điển hình là phương pháp điều khiển PID, LQR, Backsteping, điều khiển trượt (SMC),.
Trong tài liệu tham khảo [4], tác giả Tommaso Bresciani đã sử dụng thuật toán PID để điều khiển độ cao của Quadrotor khi bay ở chế độ lơ lửng. Bộ điều khiển được 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 trường nhiều tác động nhiễu. Trang 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ 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, nhưng khi có sự nhiễu loạn lớn thì bộ điều khiển đã không thể ổn định hóa hệ thống. Kết quả của 2 phương pháp PID và LQR 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 phương pháp PID và LQR tốn nhiều thời gian và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế. Trong tài liệu tham khảo [8], Nhóm tác giả Ashfaq Ahmad Mian and Wang Daobo đã tiến hành xây dựng bộ điều khiển Backstepping và kết quả trên mô phỏng bằng Matlab Simulink Model là rất khả quan.
Bộ điều khiển đạt độ ổn định cao, duy trì được các góc roll, pitch, yaw và nhanh chóng bám theo tín hiệu đặt ban đầu của hệ thống. Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lượng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. So sánh rất nhiều bộ điều khiển như PID, LQR, điều khiển trượt (Sliding mode control- SMC), điều khiển Backstepping … học viên quyết định tiến tới thực hiện đề tài: “Điều khiển ổn định hóa Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping”. Mục tiêu của luận văn là hướng tới điều khiển ổn định góc nghiêng 3 trục Roll, Pitch, Yaw và độ cao (z) của mô hình và tín hiệu điều khiển bám theo tín hiệu đặt.
Mục đích nghiên cứu Đề tài: “Điều khiển ổn định hóa Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping” được thực hiện nhằm mục đích xây dựng mô hình và giải thuật điều khiển để từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc xây dưng thuật toán điều khiển, mô phỏng và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển Quadrotor 1. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu 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 Trang 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ cũng rất đa dạng. Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên nhận thấy bộ điều khiển Backstepping là khả thi trong thực hiện nhất.
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. Các công việc thực hiện trong đề tài: - Xây dựng mô hình toán học của Quadrotor. - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển Backstepping. - Áp dụng lý thuyết điều khiển khiển Backstepping xây dựng luật điều khiển cho mô hình Quadrotor.
- Mô phỏng Quadrotor sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. - So sánh điều khiển Backstepping với các thuật toán điều khiển khác - Thu thập các kết quả, đánh giá, tổng kết, báo cáo. Trên cơ sở những kết quả thu được từ thực tế, học viên tiến hành phân tích những ưu khuyết điểm từ đó tìm ra hướng tốt hơn để cải thiện bộ điều khiển cũng như nâng cao hơn độ chính xác của kết quả. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng các kiến thức về lý thuyết điều khiển tối ưu, điều khiển đa biến [1], điều khiển phi tuyến [2,3] trong lĩnh vực tự động trong tính toán và thiết kế Quadrotor.
Với những phương pháp cụ thể sau: - Nghiên cứu các tài liệu, luận văn, bài báo có sẵn trong và ngoài nước. - Từ kết quả mô phỏng thực nghiệm, đánh giá, hiệu chỉnh và nhận xét kết quả. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụng Quadrotor có tính phức tạp cao hơn.
Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu làm tài liệu cho các công trình nghiên cứu sau này. Trang 22 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng làm cơ sở để nghiên cứu chế tạo quadrotor. Ứng dụng Quadrotor để phục vụ cho đời sống con người như: Chụp ảnh, quay phim bằng camera độ phân giải cao ở những vùng đồi núi có địa hình hiểm trở.
Phát triển đề tài sẽ nâng cao các ứng dụng cũng như chất lượng của quadrotor trong các lĩnh vực quân sự, do thám, thu thập hình ảnh… 1. Tóm lược nội dung luận văn Luận văn gồm 6 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, xu hướng phát triển của các mô hình tương tự như trong luận văn. Khả năng ứng dụng thực tiễn, những ưu khuyết điểm của mô hình, mức độ áp dụng của các thuật toán. Chương 2: Cơ sở điều khiển Trình bày chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động mô hình Quadrotor.
Xây dựng mô hình toán của Quadrotor. Trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển Backstepping. Từ mô hình toán học tạo bước đệm thiết kế bộ điều khiển để tiến hành mô phỏng và thực nghiệm. Chương 3: Xây dựng luật điều khiển mô hình Quadrotor Dựa vào cơ sở lý thuyết điều khiển Backstepping xây dựng thuật toán điều khiển Quadrotor.
Trên cơ sở đó, tiến hành mô phỏng Quadrotor trên phần mềm Matlab/Simulink. Chương 4: Kết quả mô phỏng Quadrotor Chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink và vẽ đồ thị đáp ứng ngõ ra Quadrotor, nhận xét, đánh giá kết quả. Trang 23 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 5: So sánh điều khiển Backstepping với các phương pháp điều khiển khác Từ kết quả mô phỏng Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping tiến hành so sánh với các phương pháp điều khiển khác để đánh giá tính hiệu quả của thuật toán điều khiển. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Kết luận về các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm, đánh giá điểm đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển để xây dựng mô hình thực tế Quadrotor hoàn thiện hơn. Trang 24 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Quadrotor 2.
Cấu tạo Quadrotor Quadrotor được định nghĩa là một phương tiện bay có 4 cánh quạt gắn lên phía cuối của một khung hình chữ thập. Các cánh quạt được gắn vào 4 động cơ ở 4 góc, với 2 cánh quạt xen kẽ quay ngược chiều nhau, 2 cánh quạt đối xứng quay cùng chiều nhau để chống lại moment xoắn. Mô hình Quadrotor. Bộ điều khiển và cảm biến thường được đặt ở giữa trung tâm mô hình để giữ thăng bằng và tiện lợi trong việc kết nối điều khiển tới 4 động cơ.
Nguyên lý hoạt động Quadrotor Cặp cánh phía trước và cặp cánh phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, cặp cánh bên phải và bên trái quay ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoay được tạo ra bởi cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ. Nguyên lý hoạt động của Quadrotor. Trang 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ Góc nghiêng được điều khiển khi thay đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này.
Tương tự góc lật cũng được điều khiển bởi mối quan hệ giữa 2 tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau. Góc xoay lại được thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên phải và bên trái liên quan tới tốc độ của cặp cánh phía trước và phía sau. Khi đó, tổng lực đẩy sinh ra bởi các cặp cánh được giữ không đổi. Độ cao của Quadrotor thay đổi khi tăng hoặc giảm đồng thời tốc độ của các cánh quạt.
Hệ trục tọa độ gắn trên quadrotor như Hình 2. Hệ trục tọa độ đặt trên Quadrotor. - Trục x là vector hướng từ motor 3 tới motor 1, góc xoay quanh trục x là góc Roll. - Trục y là vector hướng từ motor 2 tới motor 4, góc xoay quanh trục y là góc Pitch.
- Trục z là vector vuông góc với mặt phẳng (Oxy) và hướng xuống dưới, góc xoay quanh trục z là góc Yaw.