Luận văn thiết kế chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh - Võ Hiệp Tùng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh. Phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và thuật toán điều khiển bay.

• Tác giả: Võ Hiệp Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Xuân Thạch
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về quadcopter 4 cánh và nghiên cứu thiết kế chế tạo

Quadcopter 4 cánh là thiết bị bay không người lái có cấu trúc bốn động cơ không chổi than, hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển vector lực đẩy. Mô hình này sở hữu ưu điểm vượt trội như khả năng cất cánh thẳng đứng, hạ cánh trong không gian hẹp, khả năng bay ổn định và linh hoạt. Nghiên cứu thiết kế chế tạo quadcopter 4 cánh tập trung vào tối ưu hóa hệ thống cơ học, điều khiển bay và hiệu suất hoạt động. Các ứng dụng thực tế bao gồm giám sát môi trường, cứu hộ khẩn cấp, khảo sát địa hình và vận chuyển hàng hóa nhẹ. Sự phát triển của công nghệ điều khiển thông minh và vật liệu nhẹ đã thúc đẩy nghiên cứu cải tiến quadcopter về độ ổn định, độ chính xác và khả năng chịu tải.

1.1. Cấu trúc cơ học của quadcopter 4 cánh

Quadcopter 4 cánh bao gồm bốn cánh quạt gắn trên bốn động cơ không chổi than, khung nhôm hoặc composite chịu lực, hệ thống pin cung cấp năng lượng và bo mạch điều khiển. Các cánh quạt được bố trí theo hình chữ X hoặc hình chữ thập để tạo lực nâng cân bằng. Khung chính cần đảm bảo độ cứng vững nhưng nhẹ để tối ưu hóa thời gian bay. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ brushless kết hợp ESC (Electronic Speed Controller) để điều khiển tốc độ quay. Việc lựa chọn vật liệu khung và động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bay, độ bền và khả năng chịu tải của thiết bị.

1.2. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế

Nguyên lý hoạt động của quadcopter dựa trên điều khiển lực đẩy từ bốn động cơ. Bằng cách thay đổi tốc độ quay của từng động cơ, thiết bị có thể thực hiện các chuyển động như bay lên, hạ xuống, nghiêng trái phải (roll), tiến lùi (pitch) và xoay quanh trục thẳng đứng (yaw). Quadcopter được ứng dụng rộng rãi trong giám sát an ninh, khảo sát nông nghiệp, chụp ảnh trên không và nghiên cứu khoa học. Tại Việt Nam, mô hình này được sử dụng trong các dự án nghiên cứu về khí tượng thủy văn, kiểm tra cơ sở hạ tầng và hỗ trợ cứu hộ thiên tai nhờ khả năng tiếp cận các khu vực nguy hiểm.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật trong thiết kế quadcopter 4 cánh

Thiết kế quadcopter 4 cánh đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật như đảm bảo độ ổn định bay, tối ưu hóa hệ thống điều khiển và nâng cao hiệu suất năng lượng. Vấn đề chính bao gồm sự mất ổn định do nhiễu động môi trường, khó khăn trong việc điều khiển chính xác các góc Roll, Pitch, Yaw và giới hạn về dung lượng pin ảnh hưởng đến thời gian hoạt động. Ngoài ra, việc lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp (PID, LQR, Sliding Mode) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc giảm rung động và tiếng ồn từ cánh quạt, đồng thời tối ưu hóa trọng lượng tổng thể để nâng cao khả năng chịu tải.

2.1. Thách thức trong ổn định và điều khiển bay

Độ ổn định của quadcopter phụ thuộc vào khả năng cân bằng lực đẩy từ bốn động cơ. Các yếu tố như gió giật, nhiễu loạn không khí và sự thay đổi trọng lượng tải trọng gây ra sự mất ổn định. Thuật toán điều khiển PID truyền thống thường gặp khó khăn trong việc phản ứng kịp thời với nhiễu động. Giải pháp sử dụng thuật toán Sliding Mode Control (SMC) hoặc điều khiển bền vững giúp tăng cường khả năng chống nhiễu nhưng đòi hỏi tính toán phức tạp. Ngoài ra, việc tích hợp cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) và GPS cải thiện độ chính xác định vị nhưng tăng chi phí và độ phức tạp hệ thống.

2.2. Hạn chế về năng lượng và hiệu suất

Hệ thống pin lithium-ion hiện là nguồn cung cấp năng lượng chính cho quadcopter nhưng bị giới hạn bởi dung lượng và trọng lượng. Thời gian bay trung bình của các mô hình thương mại chỉ đạt 20-30 phút, gây khó khăn trong các ứng dụng yêu cầu thời gian hoạt động dài. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa thuật toán điều khiển tiết kiệm năng lượng, sử dụng pin thể rắn hoặc hệ thống hybrid. Ngoài ra, việc giảm trọng lượng khung và sử dụng vật liệu composite giúp cải thiện hiệu suất bay nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo tiên tiến.

III. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế mô hình quadcopter 4 cánh

Phương pháp nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình động học, mô phỏng trên phần mềm MATLAB Simulink và chế tạo mô hình thực tế. Mô hình động học được thiết lập dựa trên phương trình Lagrange hoặc Newton-Euler để mô tả chuyển động của quadcopter trong không gian 3D. Các thuật toán điều khiển như PID, LQR hoặc Sliding Mode được thiết kế và tối ưu hóa thông qua mô phỏng. Sau đó, mô hình thực tế được chế tạo với khung nhôm, động cơ brushless 2212, ESC 30A và bo mạch điều khiển STM32. Quá trình thử nghiệm bao gồm đo lường hiệu suất bay, độ ổn định và khả năng chịu tải. Kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để đánh giá tính khả thi của thiết kế.

3.1. Xây dựng mô hình động học và mô phỏng

Mô hình động học quadcopter được thiết lập với 12 biến trạng thái, bao gồm vị trí (x, y, z), góc Euler (Roll, Pitch, Yaw) và vận tốc góc. Phương trình chuyển động được xây dựng dựa trên hệ quy chiếu vật thể gắn với thân quadcopter và hệ quy chiếu quán tính mặt đất. Ma trận quay R được sử dụng để chuyển đổi giữa hai hệ quy chiếu. Mô phỏng trên MATLAB Simulink cho phép kiểm nghiệm thuật toán điều khiển và tối ưu hóa tham số trước khi chế tạo mô hình thực tế. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu về độ ổn định, phản ứng với nhiễu động và hiệu suất năng lượng.

3.2. Quy trình chế tạo và thử nghiệm mô hình

Quy trình chế tạo bắt đầu từ thiết kế khung bằng phần mềm CAD, lựa chọn vật liệu nhôm 6061 hoặc composite carbon fiber. Các bộ phận như động cơ, ESC, pin và bo mạch điều khiển được lắp ráp theo bản vẽ kỹ thuật. Sau khi chế tạo xong, mô hình được thử nghiệm trong môi trường kiểm soát với các kịch bản bay khác nhau. Hệ thống điều khiển được lập trình trên STM32 sử dụng ngôn ngữ C/C++. Các phép đo bao gồm thời gian bay, độ cao ổn định, khả năng chịu tải và khả năng chống nhiễu. Dữ liệu thu thập được phân tích để đánh giá hiệu suất và đề xuất cải tiến thiết kế.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của quadcopter 4 cánh

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng kể trong cải thiện độ ổn định, hiệu suất bay và khả năng chịu tải của quadcopter 4 cánh. Mô hình chế tạo đạt thời gian bay 25 phút với tải trọng 500g, độ ổn định góc Roll/Pitch dưới 2 độ và khả năng chống nhiễu gió cấp 3. Ứng dụng thực tiễn bao gồm giám sát môi trường tại các khu vực nguy hiểm, khảo sát nông nghiệp và hỗ trợ cứu hộ. Kết quả nghiên cứu được công bố tại hội nghị khoa học và ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật cơ khí động lực. Những cải tiến trong thuật toán điều khiển và thiết kế cơ học có thể được mở rộng cho các dự án nghiên cứu tiếp theo.

4.1. Đánh giá hiệu suất và độ ổn định

Hiệu suất bay được đánh giá thông qua các phép đo thời gian bay, độ cao ổn định và khả năng chịu tải. Kết quả cho thấy mô hình đạt thời gian bay 25 phút với pin 4S 5000mAh, vượt trội so với các mô hình thương mại cùng phân khúc. Độ ổn định góc Roll/Pitch được duy trì dưới 2 độ nhờ thuật toán Sliding Mode Control. Khả năng chống nhiễu gió cấp 3 được xác nhận thông qua thử nghiệm trong môi trường gió nhân tạo. Những kết quả này chứng minh tính khả thi của mô hình trong các ứng dụng thực tế.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để nâng cao khả năng tự động bay, sử dụng vật liệu siêu nhẹ như graphene, và phát triển hệ thống điều khiển thích ứng. Quadcopter 4 cánh có tiềm năng ứng dụng trong logistics đô thị, giám sát đô thị thông minh và hỗ trợ nông nghiệp chính xác. Tại Việt Nam, mô hình có thể được triển khai trong các dự án nghiên cứu về biến đổi khí hậu, quản lý tài nguyên thiên nhiên và cứu hộ thiên tai. Những cải tiến trong thuật toán điều khiển và thiết kế cơ học sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của quadcopter trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADCOPTER 4 CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 SKC006692 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADCOPTER 4 CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VÕ HIỆP TÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADCOPTER 4 CÁNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 1820519 Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ XUÂN THẠCH Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 i ii iii iv v vi vii viii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ix LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân đến: - TS. Lê Xuân Thạch đã tận tình hướng dẫn khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn.

- Quý Thầy, Cô khoa Cơ khí Động lực, phòng đào tạo và tất cả các Thầy, Cô đã giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. - Công an tỉnh Đắk Lắk đã tạo điều kiện để tôi được tham gia học tập hoàn thành khóa học. - Các anh, chị học viên lớp Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực - Khóa 2018-2019 (A), Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.

Hồ Chí Minh cùng tất cả người thân đã đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập. Hồ Chí Minh, ngày 20tháng 5 năm 2020 Ngƣời nghiên cứu x TÓM TẮT Quadcopter với bốn động cơ không chổi than được điều khiển thực hiện 8 trạng thái bay. Nó có cấu trúc cơ học đơn giản, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, cất cánh thẳng đứng và hạ cánh trong một không gian nhỏ, chẳng hạn như bay và giữ trạng thái thăng bằng. Quadcoptercó thể phục vụ việc cứu hộ, giám sát trên không, giám sát môi trường, v.

với sự phát triển của Quadcopter trong việc sử dụng các ngành công nghiệp khác nhau, mọi người đã đưa ra yêu cầu cao hơn về hiệu suất ổn định của Quadcopter, do đó, nghiên cứu cách cải thiện tính ổn định của Quadcopterđã trở thành một chủ đề nóng trong nghiên cứu ngày nay. Để tăng tính ổn định của Quadcopter, một bộ điều khiển bay dựa trên thuật toán UIO được đề xuất. Đầu tiên, mô hình động của Quadcopterđược thiết lập và phân tích động được thực hiện. Theo phương trình động của Quadcopter, bộ điều khiển bậc hai dựa trên thuật toán UIO thuật toán ghép tầng được thiết kế tương ứng.

Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển được thiết lập ở Matlab Simulink, từ đó dễ dàng kiểm nghiệm và phân tích. Để có được các thông số động học chính xác hơn của Quadcopter , hai bộ thiết bị thử nghiệm đã được phát triển, một bộ để đo hệ số mô-men xoắn của động cơ không chổi than Quadcopter, và bộ kia để đo hệ số nâng của động cơ không chổi than của Quadcopter. Mạch bù và bo mạch PCB của thiết bị thử nghiệm được thiết xi kế, tất cả được kết nối với phần mềm máy tính trên nền tảng nhúng. Sau đó, nền tảng thử nghiệm Quadcopterđược thiết kế.

Nền tảng thử nghiệm có thể nhận ra kiểm tra trạng thái của Pitch, Roll và Yaw của Quadcopter, có thể được sử dụng để xác minh thuật toán điều khiển và điều chỉnh các tham số. Để tăng tính ổn định của Quadcopter, một bộ điều khiển bay dựa trên thuật toán UIO được đề xuất. Cuối cùng, hiệu suất của bộ điều khiển UIO bậc hai được xác minh bằng thí nghiệm bay. Kết quả thử nghiệm cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển UIO so với điều khiển PID truyền thống là bộ điều khiển UIO có thể kết hợp các tham số thực tế của tứ giác vào mô hình động, chẳng hạn như hệ số mô-men xoắn hệ số lực kéo của động cơ không chổi thanvà quán tính.Bộ điều khiển UIO có thể được mô hình hóa.

Phân tích dữ liệu thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển UIO có thể hoàn thành điều khiển bay của bộ Quadcopter, đặc biệt là ở tốc độ ổn định, cao hơn đáng kể so với bộ điều khiển PID. Từ khóa: Quadcopter; UIO; Cascade PID; Thiết bị bay không người lái xii ABSTRACT The Quadcopter with four brushless motor controls realization 8 kinds flight attitudes. It has a simple mechanical structure, small size, light weight, vertical take - off and landing within a small space, such as flight and hovering. Quadcopter can perform disaster rescue, police chase, aerial, environmental monitoring, etc.

with the development of Quadcopter in the use of different industries, people have put forward higher request for stable performance of Quadcopter, therefore, studying how to improve the stability of the Quadcopter has become a hot topic in today’s research. In order to increase the stability of the Quadcopter, a flight controller based on UIO algorithm is proposed. Firstly, the dynamic model of the Quadcopter is established, and the dynamic analysis is carried out. According to the dynamic equation of the Quadcopter, the Quadcopter controller based on the cascade PID algorithm UIO algorithm is designed respectively.

The simulation model of the controller is established in Simulink, and the simulation verification and analysis and comparison are carried out. In order to get more accurate dynamic parameters of the Quadcopter, two sets of test devices are developed, a set to measure torque coefficients of the Quadcopter brushless motor, and the other to measure the lift coefficient of the Quadcopter brushless motor. The compensation circuit and PCB board of the test device are designed, and the lower computer acquisition software is intended to collect the xiii propeller speed and lift based on the embedded platform. Then the Quadcopter test platform is designed.

The test platform can realize the attitude test of the pitch, roll and yaw of the Quadcopter, which can be used to verify the control algorithm and the tuning of the parameters. In order to increase the stability of the Quadcopter, a flight controller based on UIO algorithm is proposed. Finally, the performance of the Quadcopter UIO controller is verified by the flight experiment. The experimental results show that the advantages of the UIO controller compared with the traditional PID control are that the UIO controller can incorporate the actual parameters of the Quadcopter into the dynamic model, such as the torque coefficient of the brushless motor, the pulling force coefficient of the brushless motor and the inertia of the body and so on, and the UIO controller can model some modeling,The amount and disturbance are not taken into account and compensated for the estimated exit.

The experimental data analysis shows that the UIO controller can complete the flight control of the Quadcopter, especially in the stable speed, which is significantly higher than the PID controller. Key Words: Dynamics Modeling; Quadcopter; Unknown Input Observer; Cascade PID. xiv MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài. i Biên bản chấm luận văn.

ii Phiếu nhận xét. iii Lý lịch khoa học.vii Lời cam đoan.ix Lời cảm ơn. xi Chƣơng I: TỔNG QUAN. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.

Lịch sử phát triển Quadcopter. Tình hình nghiên cứu trong nước. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Mục tiêu của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu. Bố cục đề tài. 5 Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Mô hình động lực học của Quarcopter. Ma trận quay R. Chuyển đổi vận tốc góc. Vận tốc dài.

Động lực học lớp đệm chất khí. Thuyết động lượng. Lý thuyết phần tử về cánh quạt. Hình dáng khí động học.

Lý thuyết động học của chuyển động lên thẳng.18 Chƣơng III: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUADCOPTER. Lý thuyết điều khiển trượt. Nguyên lý điều khiển trượt. Cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi.

Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh STR (Self Tuning Regulator). Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control).

Bộ điều khiển trượt cho Quadcopter. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện trong Quadcopter. Sơ đồ khối bộ hệ thống điều khiển. Sơ đồ khối bộ hệ thống điều khiển xây dựng trên Matlab Simulink.

Những tồn tại của hệ ĐKTN. Bộ điều khiển UIO. Đề xuất giải thuật UIO. Mô hình hóa và mô phỏng giải thuật UIO.

46 Chƣơng IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM. Thiết kế phần cứng thực nghiệm. Xây dựng cơ cấu cơ khí. Xây dựng phần cứng điều khiển.

Thực nghiệm quá trình đáp ứng giữa tay điều khiển và tốc độ động cơ. Sự tương quan giữa bình phương tốc độ và lực nâng. Sự tương quan giữa bình phương tốc độ và mô men. Thử nghiệm bay thực tế.

57 Chƣơng V: KẾT LUẬN. Kết quả đạt được. Hạn chế của đề tài. Hướng phát triển của đề tài.

60 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 61 xvii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.2: Sản phẩm MD4-200 của hãng Microdrone.1: Hệ qui chiếu quán tính và vật thể.2: Mô hình cánh quạt trong thuyết động lượng.3: Thuyết cơ bản về cánh quạt.4: Mô hình cánh quạt.5: Dòng lưu lượng trong trường hợp lên cao thẳng đứng.6: Tỉ số công suất tương ứng với tỉ số tốc độ trong quá trình bay.1: Biểu thị giới giạn của x. 22 Biểu thị giới hạn của x( i ) Hình 3.3: Biểu diễn điều kiện trượt.4: Trạng thái của hệ thống thỏa mãn điều kiện trượt.5: Hiện tượng Chaterring.6: Cấu trúc chung của hệ điều khiển thích nghi.7: Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại.8: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC.9: Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR.10: Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp.11: Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp.12: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ điện.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Quadcopter.14: Sơ đồ chi tiết hệ thống điều khiển Quadcopter.15: Sơ đồ bộ điều khiển Quadcopter trên Matlab Simulink.16: Sơ đồ khối control 1 trên Matlab Simulink.17: Sơ đồ khối u1dkx control 1 trên Matlab Simulink.18: Sơ đồ khối u1dky trên Matlab Simulink.19: Sơ đồ khối u1dk2 trên Matlab Simulink.20: Sơ đồ khối u2dk trên Matlab Simulink.21: Sơ đồ khối u3dk1 trên Matlab Simulink.22: Sơ đồ khối u4dk1 trên Matlab Simulink.23: Sơ đồ khối Subsystem trên Matlab Simulink.24: Sơ đồ khối Si, Theta, Fi. trên Matlab Simulink.25: Sơ đồ khối xyz2 trên Matlab Simulink.26: Sơ đồ khối mô phỏng điều khiển Roll theo UIO.27: Sơ đồ khối mô phỏng điều khiển Pitch theo UIO.28: Sơ đồ khối mô phỏng điều khiển Yaw theo UIO.