Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển cân bằng và giữ vị trí cho hệ Quadcopter

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng, giữ vị trí cho quadcopter. Trình bày mô hình hóa, thuật toán, mô phỏng và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Võ Anh Khoa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Và Giữ Vị Trí Cho Hệ Quadcopter
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Quadcopter

Quadcopter là một loại máy bay không người lái (UAV) sử dụng bốn cánh quạt để bay và điều khiển. Đồ án này tập trung vào điều khiển cân bằng và giữ vị trí cho hệ thống quadcopter, một trong những thách thức quan trọng trong lĩnh vực robotics hiện đại. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống điều khiển ổn định giúp máy bay duy trì vị trí cố định trong không gian ba chiều. Các nghiên cứu về quadcopter đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, với nhiều ứng dụng thực tế từ giám sát, quay phim đến cứu nạn. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, khóa 2016-2020, dưới hướng dẫn của PGS. Nguyễn Minh Tâm.

1.1. Các Kết Quả Nghiên Cứu Ngoài Nước

Các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển quadcopter tiên tiến. Sử dụng các thuật toán điều khiển PID, LQR và các kỹ thuật thị giác máy tính (computer vision) để cải thiện độ ổn định bay và độ chính xác vị trí. Nhiều bài báo khoa học công bố các phương pháp điều khiển cascade, kết hợp với các cảm biến IMU và camera để đạt hiệu suất cao.

1.2. Lý Do Và Mục Tiêu Chọn Đề Tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế bộ điều khiển cân bằng hiệu quả và thực hiện giữ vị trí chính xác cho quadcopter. Sử dụng kỹ thuật optical flow để đo vận tốc góc từ camera nhúng. Kết hợp các phương pháp xử lý ảnh Lucas-Kanade với bộ điều khiển PI cascade để đạt hiệu suất tối ưu.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Hệ Thống

Hệ thống quadcopter hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản về lực, moment và cân bằng. Mô hình động lực học của quadcopter bao gồm các chuyển động cơ bản: throttle (nâng cao độ), pitch (quay trước/sau), roll (quay trái/phải) và yaw (xoay dọc trục dọc). Để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả, cần phải hiểu rõ mô hình toán học của hệ thống, bao gồm các phương trình động lực học và mô hình hóa động cơ cùng cánh quạt. Cảm biến IMU (GY-86) được sử dụng để đo gia tốc và tốc độ góc, cung cấp thông tin phản hồi cho bộ điều khiển.

2.1. Phương Pháp Optical Flow

Optical flow là kỹ thuật xử lý ảnh để phát hiện chuyển động trong video. Phương pháp Lucas-Kanade được áp dụng để theo dõi đặc trưng (feature tracking) trong ảnh camera. Kỹ thuật này giúp đo vận tốc góc của quadcopter từ ảnh camera, hỗ trợ bộ điều khiển điều chỉnh vị trí với độ chính xác cao.

2.2. Mô Hình Động Lực Học Quadcopter

Mô hình toán học quadcopter được xây dựng trên hệ tọa độ B-frame (body frame). Moment quán tính được tính toán dựa trên cấu trúc vật lý của máy bay. Các phương trình Euler được sử dụng để mô tả chuyển động quay quanh ba trục chính.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển

Bộ điều khiển PI cascade được thiết kế để quản lý cân bằng và vị trí của quadcopter. Kiến trúc này bao gồm vòng điều khiển ngoài (outer loop) cho vị trí và vòng điều khiển trong (inner loop) cho tốc độ góc. Bộ lọc Complementary được áp dụng để lọc nhiễu từ cảm biến IMU, kết hợp dữ liệu gia tốc kế và con quay hồi chuyển. Thuật toán Harris corner detection và Shi-Tomasi được sử dụng để phát hiện các đặc trưng trong ảnh camera. Bộ lọc điều khiển độ cao được tích hợp để duy trì độ cao ổn định. Sơ đồ khối bộ điều khiển được thiết kế với cấu trúc modular, cho phép điều chỉnh dễ dàng các thông số PID.

3.1. Thiết Kế Phần Cứng

Hệ thống sử dụng Raspberry Pi làm máy tính nhúng chính. Cảm biến GY-86 cung cấp dữ liệu IMU. Động cơ Brushless được điều khiển bởi mạch ESC (Electronic Speed Controller) với xung PPM. Cánh quạt EPP1045 tạo lực nâng. Bộ thu phát tín hiệu kết nối wireless cho điều khiển từ xa.

3.2. Thiết Kế Phần Mềm

Phần mềm được lập trình trên hệ điều hành Raspbian Linux. Xử lý đa luồng được áp dụng để xử lý đồng thời camera, cảm biến và bộ điều khiển. Giao tiếp WiFi cho phép truyền dữ liệu giữa quadcopter và máy tính điều khiển.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Ứng Dụng Thực Tế

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PI cascade đạt hiệu suất tốt, với góc roll, pitch và yaw hội tụ nhanh đến giá trị đặt. Khi tín hiệu đặt là 15 độ, hệ thống ổn định trong khoảng thời gian ngắn. Hiệu chỉnh camera được thực hiện để xác định các thông số nội tại (intrinsic parameters). Thuật toán PLK (Pyramid Lucas-Kanade) áp dụng thành công trong theo dõi đặc trưng, cho phép quadcopter giữ vị trí chính xác. Kết quả thực nghiệm trên máy bay thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, quadcopter có thể bay và duy trì cân bằng trong thời gian kéo dài. Góc nhìn camera từ quadcopter chiếu xuống đất cho phép phát hiện chuyển động và điều chỉnh vị trí tương ứng.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng

Mô phỏng số được thực hiện sử dụng Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy bộ điều khiển có đáp ứng nhanh, sai số ổn định định nhỏ. Khi tín hiệu đặt là 0, hệ thống duy trì góc ở 0 độ. Các đồ thị góc roll, pitch, yaw và tốc độ góc cho thấy hiệu suất điều khiển tốt.

4.2. Ứng Dụng Và Hướng Phát Triển

Đồ án này có thể được mở rộng với các cảm biến LiDAR để tránh chướng ngại vật. Giữ vị trí tự động sử dụng GPS hoặc vị trí tương đối. Tích hợp học máy (machine learning) để tối ưu hóa thông số điều khiển. Phát triển giao diện người dùng thân thiện hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề chọn đề tài, định rõ mục tiêu, giới hạn đề tài và nội dung nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: đề cập những lý thuyết liên quan đến đề tài gồm có nguyên lý hoạt động của quadcopter,lý thuyết cascade control, lý thuyết optical flow. Chương 3: Thiết kế hệ thống: nêu các thiết bị được sử dụng trong mô hình và thông số kỹ thuật của chúng. Chương 4: Mô hình hóa hệ thống: phân tích mô hình động lực học của hệ quadcopter, mô hình hóa động cơ BLDC, phân tích moment quán tính của quadcopter.

Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển: thiết kế bộ điều khiển cascade PI để điều khiển cân bằng, giữ độ cao và giữ vị trí cho hệ quadcopter, thiết kế bộ lọc nhiễu cho cảm biến, đo vận tốc tuyến tính của quadcopter bằng phương pháp optical flow. Chương 6: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Chương 7: Kết luận và hướng phát triển. 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.

Các khái niệm cơ bản Quadcopter có cấu trúc hình chữ thập với 4 động cơ được gắn trên mỗi đầu kèm theo cánh quạt (Hình 2. Trong đó, động cơ số 1, số 3 quay cùng chiều kim đồng hồ và động cơ số 2, số 4 quay ngược chiều kim đồng hồ.1 mô tả cấu trúc quadcopter ở trạng thái bay lơ lửng, trong đó các động cơ quay cùng tốc độ để đối trọng với gia tốc do trọng lực.1: Quadcopter trong tình trạng bay Hình 2.2 cho thấy khi tốc độ của 4 cánh quạt tăng (hoặc giảm) một lượng tốc độ  A thì lực theo phương thẳng đứng sẽ tăng (hoặc giảm). Chuyển động này được gọi là throttle.2: Chuyển động throttle 4 Khóa Luận Tốt Nghiệp Chuyển động pitch của quadcopter được tạo ra bằng việc tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt 3 và 4 đồng thời tốc độ của cánh quạt 1 và 2 cũng được giảm (hoặc tăng) tương ứng. Chuyển động pitch của được mô tả ở Hình 2.3: Chuyển động pitch Tương tự như chuyển động pitch thì cấu trúc đối xứng của hệ quadcopter, chuyển động pitch của quadcopter được tạo ra bằng việc tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt 1 và 4 đồng thời tốc độ của cánh quạt 2 và 3 cũng được giảm (hoặc tăng) tương ứng.

Chuyển động roll của được mô tả ở Hình 2.4: Chuyển động roll Chuyển động yaw được thực hiện bằng cách tăng (hoặc giảm) đồng thời tốc độ cánh quạt 1 và 3 đồng thời giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt 2 và 4. Do đó, khi moment xoắn tổng không cân bằng sẽ làm cho quadcopter quay xung quanh trục z. 5 Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 2.5: Chuyển động yaw 2. Cascade Control [10] Cascade control liên quan đến việc sử dụng hai bộ điều khiển với đầu ra của bộ điều khiển thứ nhất cung cấp điểm đặt cho bộ điều khiển thứ hai, vòng phản hồi cho một bộ điều khiển nằm bên trong bộ điều khiển khác (Hình 2.

Một hệ thống như vậy có thể đưa ra đáp ứng cải thiện hơn đối với các nguồn nhiễu bên ngoài. Tuy nhiên, nếu điều chỉnh vòng lặp bên trong quá mạnh và hai quá trình hoạt động theo thời gian tương tự nhau, hai bộ điều khiển có thể xung đột với nhau khiến hệ thống vòng kín không ổn định. May mắn thay, điều này là không thể nếu vòng lặp bên trong vốn đã nhanh hơn vòng lặp bên ngoài hoặc điều chỉnh bắt buộc. Mục tiêu của Cascade Control là cải thiện hiệu suất quá trình bằng cách giảm - hoặc thậm chí loại bỏ - những ảnh hưởng của nhiễu loạn đã biết thông qua kiểm soát biến cảnh báo sớm.6: Sơ đồ khối cascade control 6 Khóa Luận Tốt Nghiệp 2.

Phương pháp optical flow Optical flow có thể ánh xạ chuyển động ba chiều cường độ sáng của các điểm thành mặt phẳng hình ảnh hai chiều. Optical Flow được tính toán bằng cách giả sử độ sáng của một điểm hình ảnh cụ thể là không đổi theo thời gian (độ sáng không đổi). Một điểm trong hình ảnh (x, y) di chuyển đến tọa độ mới (x + dx, y + dx) trong khoảng thời gian dt, trong đó (dx, dy) là sự thay đổi của điểm này theo hai hướng không gian (x và y tương ứng). Độ sáng tại điểm (x, y) tại thời điểm t được ký hiệu là I(x, y, t).

Do đó, phương trình hằng số độ sáng sẽ là I  x, y, t   I  x  dx, y  dy, t  dt  (2.1) Giả sử độ thay đổi pixel dx và dy là nhỏ, xấp xỉ (2.1) bằng chuỗi Taylor bậc một I I I (2.2) I  x  dx, y  dy, t  dt   I  x, y, t   dx  dy  dt x y t Chia (2.2) cho dt , thu được I xu  I y v  I t  0 (2.3) I I I dx Trong đó, I x  , Iy  và I t  là đạo hàm riêng của x, y và t. u  và x y t dt dy v là tốc độ của optical flow. dt 7 Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương 3: Thiết Kế Hệ Thống 3. Thiết kế phần cứng 3.

Máy tính nhúng Với các yêu cầu của một quadcopter có thể điều khiển di chuyển bám theo người, tự giữ độ cao và vị trí, giao tiếp với máy tính thông qua wifi. Máy tính nhúng Raspberry Pi 3B+ được chọn để thực hiện các tác vụ trên.1: Raspberry Pi 3B+ Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật chính của Raspberry Pi 3B+ Thông số Miêu tả SoC Broadcom BCM2837 CPU 4× ARM Cortex-A53, 1.2GHz GPU Broadcom VideoCore IV RAM 1GB LPDDR2 (900 MHz) Networking 10/100 Ethernet, 2.11n wireless Bluetooth Bluetooth 4.1 Classic, Bluetooth Low Energy Storage microSD GPIO 40-pin header, populated Ports HDMI, 3.5mm analogue audio-video jack, 4× USB 2.0, Ethernet, Camera 8 Khóa Luận Tốt Nghiệp Serialnterface (CSI), Display Serial Interface (DSI) Dựa vào ưu điểm 4 nhân của Raspberry Pi 3B+, phương pháp xử lý luồng được sử dụng để xử lý được nhiều tác vụ nặng thực hiện cùng lúc như nhận diện người dùng trí tuệ nhân tạo, đọc hình ảnh từ 2 camera, giao tiếp với các cảm biến, điều khiển các cơ cấu chấp hành của quadcopter. Xử lý đa luồng sẽ xử lý các tác vụ khác nhau song song với nhau. Do đó, sẽ không ảnh hưởng đến việc điều khiển quadcopter (đòi hỏi tần số lấy mẫu cao).2 mô tả sơ đồ khối của xử lý đa lỗi.2: Phương pháp xử lý đa luồng Trong đó, luồng 1 giao tiếp đọc giá trị từ các cảm biến và giải thuật điều khiển để điều khiển giữ cân bằng cũng như là di chuyển cho quadcopter.

luồng 2 đọc ảnh từ camera và áp dụng phương pháp optical flow để tính toán vị trí của quadcopter trong mặt phẳng Oxy. Cảm biến Cảm biến đóng vai trò rất quan trọng để điều khiển quadcopter. Thông qua việc giao tiếp với cảm biến, bộ xử lý chính nhận được các thông tin như gia tốc góc, độ cao, vận tốc góc, góc nghiêng, từ trường và các giá trị khác nữa. Trong hệ thống quadcopter, con quay hồi chuyển và gia tốc kế đóng vai trò cực kỳ quan trọng, là tín hiệu hồi tiếp để điều khiển quadcopter cân bằng.

Ngoài ra, các cảm biến như áp suất, từ trường cũng được thêm vào hệ thống để đo được độ cao, góc xoay của quadcopter. 9 Khóa Luận Tốt Nghiệp Quadcopter bao gồm 3 cảm biến, MPU6050, HMC5883l, MS5611. Trong đó, MPU6050 là cảm biến 6 trục tự do bao gồm gia tốc kế (trục x,y,z) và con quay hồi chuyển (trục x,y,z). HMC5883L là cảm biến từ trường dùng để tính toán góc xoay của quadcopter theo trục z.

MS5611 đo áp suất không khí cùng với nhiệt độ để suy ra độ cao tương ứng. Cả 3 cảm biến MPU6050, HMC5883L và MS5611 được tích hợp vào trên cùng một mạch có tên GY-86 (Hình 3.3: Cảm biến GY-86 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của các cảm biến có trên GY-86 MPU6050 HMC5883L MS5611 Nguồn cung cấp: 4.3V đến Điện áp hoạt động: 2.16 Điện áp hoạt động: 1.6V Giao tiếp: I2C Giao tiếp: I2C Giao tiếp: I2C Bộ chuyển đổi ADC: 16bit Bộ chuyển đổi ADC: Bộ chuyển đổi ADC: 12bit 24bit Khoảng giá trị của con quay Khoảng giá trị từ trường: Khoảng giá trị áp suất: 10 hồi chuyển: +/-250, +/-500, +/-8 Oe đến 1200mbar +/-1000, +/-2000 °/s Khoảng giá trị của gia tốc Tốc độ ngõ ra: 160Hz Độ phân giải cao: 10cm kế: +/-2g, +/-4g, +/-8g, +/- 16g Tốc độ lấy mẫu: lên tới Thời gian chuyển đổi 1kHz nhanh: 1ms 10 Khóa Luận Tốt Nghiệp 3. Động cơ và mạch điều khiển tốc độ động cơ Động cơ đóng vai vò rất quan trọng và là cơ cấu chấp hành trong hệ quadcopter. Do đó, việc lựa chọn động cơ phải phù hợp mới đáp ứng được yêu cầu điều khiển.

Động cơ BLDC được xem xét sử dụng vì các ưu điểm nổi bật của nó so với động cơ có chổi than. Động cơ BLDC có thể điều khiển liên tục ở lực quay tối đa (moment xoắn). Động cơ có chổi than, ngược lại, đạt mô-men xoắn cực đại tại chỉ một số điểm nhất định trong vòng quay. Ngoài ra, động cơ BLDC có thể được điều khiển, sử dụng các cơ chế phản hồi, để cung cấp chính xác mô-men xoắn và tốc độ quay mong muốn.

Điều khiển chính xác lần lượt giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và sinh nhiệt, và trong trường hợp động cơ chạy bằng pin, kéo dài tuổi thọ pin. Hơn thế nữa, động cơ BLDC cũng cung cấp độ bền cao và tạo ra tiếng ồn thấp, nhờ loại bỏ chổi than đi. Đây là lý do tại sao động cơ BLDC được sử dụng trong quadcopter một mô hình đòi hỏi tốc độ quay cao. Động cơ BLDC được chọn trong mô hình là động cơ Phantom3 (Hình 3.

Tốc độ của động cơ không chổi than được điều khiển bởi Bộ điều khiển tốc độ điện tử (hoặc ESC). Phần cứng này nhận năng lượng từ pin và tạo ra dòng điện AC 3 pha theo tín hiệu PPM được cung cấp bởi bộ điều khiển. Tín hiệu xung PPM điều khiển ESC Hình 3.4 có độ rộng từ 10ms đến 20ms.4: Xung PPM điều khiển ESC 11 Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 3.5: ESC BLHeli Hình 3.6: Động cơ Phantom3 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật chính của ESC Thông số Mô tả Dòng liên tục 20A Dòng Burst 25A Điện áp cung cấp 8.8V BEC Mode 2A/5V BEC Ouput 2A/5V 3. Camera Với mục tiêu của đề tài, hai camera được sử dụng bao gồm camera pi (Hình 3.7) được kết nối với rasberry thông qua chuẩn giao tiếp CSI-2 và camera webcam (Hình 3.8) được kết nối với raspberry thông qua cổng USB.

Việc kết nối thông qua chuẩn CSI-2 giữa camera pi và bộ xử lý chính Boardcom BCM2835 giúp làm tăng độ phân giải của camera và đồng thời băng thông của dữ liệu truyền từ camera tới bộ xử lý cũng tăng đáng kể.