Đặt vấn đề Lịch sử đã trải qua nhiều giai đoạn cách mạng khoa học kỹ thuật. Đi kèm với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, thiết bị bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicle) đã được ứng dụng trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ bởi các tính năng ưu việt như: Có khả năng hoạt động tự động hoặc là điều khiển từ xa, có khả năng hoạt động những nơi mà con người khó có thể tiếp cận. UAV còn được biết đến nhiều hơn bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế.
Ngoài ra các ứng dụng khác của UAV cũng được quan tâm như quan sát núi lửa, kiểm tra môi trường, gieo trồng, bảo dưỡng thiết bị, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp… Quadrotor chính là một thiết bị bay không người lái được điều khiển từ xa hoạt động rất linh hoạt. Quadrotor là một thiết bị bay độc đáo, được thiết kế với 4 cánh quạt tạo nên một lực nâng lớn cho quadrotor. Chính vì thế, mô hình Quadrotor sẽ là đề tài cần được quan tâm và đi vào nghiên cứu. Với một mô hình Quadrotor nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động linh hoạt, chúng ta có thể sử dụng để phục vụ cho lợi ích của con người.
Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức lớn trong phương pháp điều khiển. Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển tốt trong nhiều điều kiện thì cần bỏ ra rất nhiều thời gian thiết kế và thử nghiệm, kèm theo sử dụng những cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp. Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm quadrotor thì đòi hỏi người thực hiện phải nắm được lý thuyết vững chắc kết hợp với nhiều kinh nghiệm thực tế. Từ những vấn đề cấp thiết trên, học viên muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình toán của Quadrotor, từ đó tiến hành nghiên cứu xây dựng luật điều khiển để mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab và kiểm nghiệm thuật toán trên mô hình bay Trang 15 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ thực tế.
Học viên đã chọn đề tài: “Điều khiển ổn định hóa Quadrotor bằng phương pháp điều khiển Backstepping” là đề tài nghiên cứu. Lịch sử phát triển Quadrotor và các công trình liên quan nổi bật 1. Lịch sử phát triển Quadrotor Chiếc Quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do hai anh em nhà khoa học người Pháp Charles Richet và Charles Breguet chế tạo. Nó mang tên là “Breguet – Richet Gyroplance No 1” (Hình 1.
Yêu cầu của chiếc Quadrotor này là có thể rời khỏi mặt đất với một phi công. Quadrotor được điều khiển bởi một động cơ 8 xi lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho cánh quạt.
Bộ khung của chiếc Quadrotor này được làm từ các ống thép. Tổng trọng lượng của nó vào khoảng 500kg. Lần thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai – Pháp vào năm 1907. Nó có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5m.
Breguet – Richet Gyroplane No 1. Đến năm 1920, Etienne Oemichen đã chế tạo một chiếc Quadrotor với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy (Hình 1. Ban đầu, nó được gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc Quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu.
Sau đó, nó không bao giờ được sử dụng nữa. Trang 16 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1. Quadrotor của Etienne Oemichen. Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế chiếc Quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ.
Cỗ máy này đã được điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra, nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc Quadrotor này được đặc tên là “Bạch tuột bay”( Hình 1. Nhưng dự án này bị hủy bỏ vì khả năng bay thấp, giá thành cao.
Bạch tuột bay. Từ đó, Quadrotor không còn được chú ý như trước. Cho đến những năm 1980, Quadrotor lại được quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và giá thành thấp. Chiếc Draganflyer X-Pro của hãng sáng chế Draganfly là một trong những chiếc Quadrotor thương mại điều khiển sóng Radio (Hình 1.
Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí, X-Pro có thể bay dễ dàng so với một chiếc trực thăng thông thường. Khung được làm bằng ống sợi Cacbon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền. X-Pro sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày nay, Trang 17 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng X-Pro như một phương tiện cơ bản phục vụ cho các công việc nghiên cứu.
Công việc nghiên cứu về Quadrotor đã được quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng Quadrotor là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng của UAV so với một máy bay trực thăng thông thường. Quadrotor ngày càng được ứng dụng rộng rãi trọng lĩnh vực quân sự cũng như dân sự. Nó đã mang lại cho các nhà khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu. Công trình liên quan nổi bật Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tương tự mô hình Quadrotor của luận văn.
Các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước rất nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mô hình 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.