I. Giới thiệu tổng quan
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tự động hóa và điều khiển cân bằng cho máy bay bốn cánh quạt (quadcopter). Đề tài nghiên cứu nhằm mục đích phát triển các hệ thống điều khiển hiệu quả để duy trì sự cân bằng động lực và ổn định trong quá trình bay. Máy bay không người lái (UAV) đang trở thành một xu hướng quan trọng trong công nghệ hiện đại, đặc biệt là trong các ứng dụng như giám sát, quân sự và dân sự. Quadcopter là một trong những mô hình UAV phổ biến nhờ khả năng cơ động cao và thiết kế đơn giản.
1.1. Bối cảnh và mục tiêu
Nghiên cứu này nhằm giải quyết các thách thức trong việc điều khiển tự động và cân bằng của quadcopter. Mục tiêu chính là thiết kế các thuật toán điều khiển như PID và Back-stepping để đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình bay. Mô hình hóa và mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các thuật toán này trước khi triển khai trên phần cứng thực tế.
1.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc mô hình hóa toán học của quadcopter, thiết kế các bộ điều khiển, và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Ngoài ra, nghiên cứu cũng tập trung vào việc triển khai các thuật toán trên vi điều khiển ARM-STM32F407VG để kiểm tra hiệu quả trong môi trường thực tế.
II. Mô hình hóa hệ thống
Chương này trình bày chi tiết về mô hình toán học của quadcopter. Các phương trình động lực học được xây dựng dựa trên nguyên lý Newton-Euler và Lagrange, giúp mô tả chính xác các chuyển động của quadcopter trong không gian ba chiều. Hệ thống cân bằng được phân tích dựa trên các lực và mô men tác động lên các trục Roll, Pitch, và Yaw.
2.1. Cấu trúc phần cứng
Quadcopter bao gồm bốn động cơ được bố trí đối xứng, mỗi động cơ điều khiển một cánh quạt. Các cánh quạt được thiết kế để quay ngược chiều nhau nhằm triệt tiêu mô men xoắn. Bộ điều khiển và cảm biến được đặt ở trung tâm để đảm bảo sự cân bằng và ổn định trong quá trình bay.
2.2. Phương thức di chuyển
Các phương thức di chuyển của quadcopter được mô tả thông qua việc điều chỉnh lực đẩy của từng động cơ. Ví dụ, để di chuyển theo trục Roll, lực đẩy của hai động cơ bên trái và bên phải được điều chỉnh khác nhau. Tương tự, việc điều chỉnh lực đẩy của các động cơ phía trước và phía sau giúp quadcopter di chuyển theo trục Pitch.
III. Thiết kế bộ điều khiển
Chương này tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển để duy trì sự cân bằng và ổn định của quadcopter. Hai phương pháp chính được nghiên cứu là PID và Back-stepping. Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính đơn giản và hiệu quả, trong khi Back-stepping là một phương pháp hiện đại hơn, mang lại độ chính xác cao hơn trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến.
3.1. Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần: Proportional (P), Integral (I), và Derivative (D). Thành phần P tạo tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch, I tích phân sai lệch theo thời gian, và D vi phân sai lệch để dự đoán xu hướng thay đổi. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển PD (không sử dụng thành phần I) được áp dụng để đơn giản hóa quá trình điều khiển.
3.2. Bộ điều khiển Back stepping
Back-stepping là một phương pháp điều khiển phi tuyến, cho phép thiết kế các bộ điều khiển phức tạp hơn để đạt được độ chính xác cao hơn. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc điều khiển các hệ thống có nhiều biến số và tương tác phức tạp, như quadcopter.
IV. Mô phỏng và đánh giá
Các bộ điều khiển được thiết kế đã được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển Back-stepping mang lại độ chính xác và ổn định cao hơn so với PID, đặc biệt trong các điều kiện có nhiễu hoặc thay đổi tải trọng. Tuy nhiên, PID vẫn là một lựa chọn hiệu quả trong các ứng dụng đơn giản và yêu cầu chi phí thấp.
4.1. Kết quả mô phỏng PID
Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PD đạt được sự ổn định sau một khoảng thời gian nhất định, nhưng thời gian đáp ứng còn chậm. Việc tăng hệ số Kp giúp cải thiện thời gian đáp ứng, nhưng cũng có thể dẫn đến hiện tượng dao động nếu không được điều chỉnh hợp lý.
4.2. Kết quả mô phỏng Back stepping
Bộ điều khiển Back-stepping cho thấy khả năng bám sát tín hiệu đặt một cách nhanh chóng và chính xác, ngay cả trong điều kiện có nhiễu. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc điều khiển các góc Roll, Pitch, và Yaw của quadcopter.
V. Thực nghiệm và kết luận
Các bộ điều khiển đã được triển khai trên vi điều khiển ARM-STM32F407VG và kiểm tra trên mô hình quadcopter thực tế. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của cả hai phương pháp điều khiển, với Back-stepping mang lại hiệu quả cao hơn trong các điều kiện phức tạp. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh như Fuzzy Logic hoặc Neural Network để nâng cao hiệu quả điều khiển.
5.1. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PD đạt được sự ổn định cơ bản, nhưng vẫn còn một số hạn chế trong việc đáp ứng nhanh với các thay đổi đột ngột. Trong khi đó, Back-stepping cho thấy khả năng xử lý linh hoạt và chính xác hơn, đặc biệt trong các điều kiện có nhiễu.
5.2. Hướng phát triển
Nghiên cứu đề xuất việc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh để cải thiện hiệu quả điều khiển. Ngoài ra, việc tối ưu hóa phần cứng và giảm thiểu chi phí cũng là một hướng phát triển quan trọng trong tương lai.
