Chương 1: Tổng quan Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về các yêu cầu của báo cáo bao gồm giới thiệu, mục tiêu, phạm vi và nội dung của luận án. - Chương 2: Quadcopter tự động theo dõi đối tượng Chương này cung cấp các kiến thức cơ bản về luận án này, chẳng hạn như nguyên tắc quadcopter, bộ điều khiển PID, cơ sở lý thuyết xử lý ảnh nhận diện màu sắc, mô hình phát hiện đối tượng, bộ lọc tương quan, kỹ thuật theo dõi. - Chương 3: Thiết kế và xây dựng phần cứng Chương này trình bày chi tiết phần cứng của mô hình, bao gồm hệ thống cơ khí và bảng mạch điện tử. Hệ thống cơ khí bao gồm hình dạng, kích thước và chỉ ra cách lắp ráp các thành phần trên khung mô hình.
5 do an - Chương 4: Thuật toán điều khiển Nội dung của chương này bao gồm mô hình toán học, sơ đồ thuật toán và thuật toán cho từng bài toán mô hình. - Chương 5: Kết quả thực nghiệm Chương này được viết sau khi mô hình đã được lắp ráp hoàn chỉnh, hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu của chủ đề này. - Chương 6: Kết luận và phát triển Chương này cung cấp kết luận về mặt lợi thế và giới hạn của luận án này. Điều này cũng kết luận sự đóng góp, đề xuất ý tưởng và công việc trong tương lai.
6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI BAY BÁM THEO DÕI ĐỐI TƯỢNG Phần này thảo luận về các nội dung sau: (1) Lý thuyết điều khiển bay, mô hình động của một quadcopter, (2) Đơn vị đo lường bên trong, (3) Bộ điều khiển PID, (4) Tổng quan về xử lý ảnh , (5) Mô hình phát hiện đối tượng dựa trên lý thuyết nhận diện màu sắc, (6) Kỹ thuật theo dõi bộ lọc tương quan. Lý thuyết điều khiển máy bay Một quadcopter bao gồm bốn động cơ. Bốn cánh quạt được gắn trên bốn động cơ giúp tạo ra một thang máy cho phép quad quad bay lên khi cánh quạt di chuyển.1 Biểu thị cấu trúc cơ bản của một quadcopter. Hiểu được cánh quạt của máy bay điều khiển từ xa 4 động cơ thế nào và hướng động cơ cùng với thiết kế cho chúng ta thấy làm thế nào một chiếc máy bay điều khiển từ xa hoạt động.
Máy bay điều khiển từ xa 4 động cơ ngày nay rất dễ bay và bay theo bất kỳ hướng nào. Tuy nhiên, thiết kế kỹ thuật khác với máy bay thông thường hoặc trực thăng về việc vận hành bay. làm thế nào để một quadcopter bay hoặc bay theo bất kỳ hướng nào, nâng hoặc hạ xuống tại một khoảnh khắc chạm vào thanh điều khiển từ xa. Máy bay điều khiển từ xa cũng có thể bay tự động thông qua phần mềm điều hướng được lập trình từ trước và bay theo bất kỳ hướng nào cho điểm đến điểm.
Các cánh quạt phía trước bên phải và phía sau bên trái quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi phía trước bên trái và phía sau bên phải xoay theo chiều kim đồng hồ để cân bằng mô-men xoắn được tạo bởi 4 cánh quạt trên khung. Tất cả 4 cánh quạt phải tạo ra lực đẩy bằng nhau khi quad quad cất cánh và hạ cánh (Throtle Up hoặc Down). Góc Roll được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa bên phải (Phía trước bên phải – Cánh quạt quay vòng phía sau bên phải) và bên trái (Phía trước bên trái – cánh quạt quay vòng phía sau bên trái), do đó tổng lực đẩy được tạo ra bởi 4 cánh quạt không thay đổi. Tương tự, góc Pitch được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ của mặt trước (Phía trước bên phải –phía trước bên trái) và phía sau (phía sau bên phải –phía sau bên trái), trong khi vẫn giữ được toàn bộ lực đẩy.
Góc Yaw được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cặp cánh quạt phía trước bên phải - Phía sau bên trái và cặp cánh quạt phía trước bên trái - Phía sau bên phải để tổng lực đẩy của bốn cánh quạt không đổi.2 cho thấy các chuyển động cơ bản của một quadcopter. 7 do an Hình 2. Cấu trúc bay của một quadcopter Hình 2. Chuyển động cơ bản của một quadcopter 8 do an 2.
Mô hình toán học và động lực học 2. Động học khối Cấu trúc quadcopter được trình bày trong Hình 2.3 bao gồm vận tốc góc, mômen và lực tương ứng được tạo bởi bốn cánh quạt. Hai cặp cánh quạt, tức là rôto (1,3) quay theo chiều kim đồng hồ và rôto (2,4) quay ngược chiều kim đồng hồ [5-6]. Vị trí tuyến tính tuyệt đối của quadcopter được xác định trong các trục quán tính x, y, z.
Vị trí góc, được xác định trong khung quán tính với ba góc Euler. Góc nghiêng θ xác định góc quay của quadcopter quanh trục y. Góc cuộn ϕ xác định góc quay quanh trục x và góc ψ quanh trục z. Vector q chứa các vectơ vị trí tuyến tính và góc.
Các khung quán tính và cơ thể của một quadcopter Nguồn gốc của khung cơ thể nằm ở trung tâm khối lượng của quadcopter. Trong khung cơ thể, vận tốc tuyến tính được xác định bởi VB và vận tốc góc bằng v.2) 𝑉𝑧,𝐵 𝑟 9 do an Ma trận xoay từ khung cơ thể sang khung quán tính: 𝐶 𝐶𝜃 𝐶 𝑆𝜃 𝑆∅ − 𝑆 𝐶∅ 𝑆 𝐶𝜃 𝑆∅ + 𝑆 𝑆∅ R = [𝑆 𝐶𝜃 𝑆 𝑆𝜃 𝑆∅ + 𝑆 𝐶∅ 𝑆 𝑆𝜃 𝐶∅ − 𝐶 𝑆∅ ] (2.3) −𝑆𝜃 𝐶𝜃 𝑆∅ 𝐶𝜃 𝐶∅ Ma trận biến đổi cho vận tốc góc từ khung quán tính sang khung cơ thể là và từ khung cơ thể sang khung quán tính là 𝑊𝜂−1. Ma trận W 𝜂 là ma trận đảo nếu 𝜃 ≠ (2𝑘 − 1). 𝜙 /2, (𝑘 ∈ ℤ) Các quadcopter được giả định là có cấu trúc đối xứng.
Ma trận quán tính là ma trận chéo I trong đó 𝐼𝑥𝑥= 𝐼𝑦𝑦 𝐼𝑥𝑥 0 0 I=[ 0 𝐼𝑦𝑦 0] (2.5) 0 0 𝐼𝑧𝑧 Vận tốc góc của rôto i, tạo ra lực theo hướng của trục rôto. Tốc độ góc và gia tốc của rôto cũng tạo ra mô men xoắn quanh trục rôto.6) Trong đó hằng số nâng là k, hằng số kéo là b và mômen quán tính của rôto là IM. Thông thường ảnh hưởng của 𝜔 được coi là nhỏ và do đó nó bị bỏ qua. Các lực kết hợp của các cánh quạt tạo ra lực đẩy T theo hướng của trục z cơ thể, T Là lực tác dụng lên khung cơ thể.
Mô-men xoắn 𝜏𝐵 bao gồm các điểm xuyến 𝜏𝜙, B 𝜏𝜃 và 𝜏𝜓, theo hướng của các góc khung cơ thể tương ứng. 10 do an 0 T = ∑4𝑖=1 𝑓𝑖 = 𝑘 ∑4𝑖=1 𝜔𝑖2 TB = [ 0 ] 𝑇 (2.7) 𝜏∅ 𝑙 𝑘 (𝜔42 + 𝜔32 − 𝜔22 − 𝜔12 ) 2 2 2 2 𝜏𝐵 = [ 𝜏𝜃 ]=[𝑙 𝑘 (𝜔4 − 𝜔3 − 𝜔2 + 𝜔1 )] 𝜏 ∑4𝑖=1 𝜏𝑀 𝑖 Quadcopter được coi là một phần cứng và do đó phương trình Newton-Euler có thể được sử dụng để mô tả động lực học của nó. Trong khung thân, lực cần cho gia tốc khối mass 𝑚𝑽̇𝐵 và lực ly tâm 𝒗 × (𝑚𝑽𝐵) bằng trọng lực 𝑹 T𝑮 và tổng lực đẩy của rôto TB.8) Trong khung quán tính, lực ly tâm bị vô hiệu hóa. Do đó, chỉ có lực hấp dẫn và cường độ và hướng của lực đẩy là đóng góp vào gia tốc của quadcopter.9) [𝑦̈ ] = −𝑔 [0] + [ 𝑆∅ 𝑆𝜃 𝐶∅ − 𝐶 𝑆∅ ] 𝑚 𝑧̈ 1 𝐶𝜃 𝐶∅ Trong khung cơ thể, gia tốc góc của quán tính 𝑰𝒗̇, lực hướng tâm 𝒗 × (𝑰𝒗) và các lực con quay 𝑰 bằng với mômen ngoài 𝝉.10) 𝑝̇ (𝐼𝑦𝑦 − 𝐼𝑧𝑧 )𝑞𝑟/𝐼𝑥𝑥 𝑞/𝐼𝑥𝑥 𝜏∅ /𝐼𝑥𝑥 [𝑞̇ ] = [ (𝐼𝑧𝑧 − 𝐼𝑥𝑥 )𝑞𝑟/𝐼𝑦𝑦 ] − 𝐼𝑟 [−𝑝/𝐼𝑦𝑦 ] 𝜔𝑟 + [𝜏𝜃 /𝐼𝑦𝑦 ] 𝑟̇ (𝐼𝑥𝑥 − 𝐼𝑦𝑦 )𝑞𝑟/𝐼𝑧𝑧 0 𝜏 /𝐼𝑧𝑧 11 do an Trong đó 𝜔Γ = 𝜔1 − 𝜔2 + 𝜔3 − 𝜔4.
Gia tốc góc trong khung quán tính sau đó được thu hút từ gia tốc khung cơ thể với ma trận biến đổi 𝑊 −1 và đạo hàm thời gian của nó. Hiệu ứng khí động học Mô hình trước là đơn giản hóa các tương tác động phức tạp. Để thực thi hành vi thực tế hơn của quadcopter, lực kéo được tạo ra bởi lực cản không khí. Điều này được đưa ra theo phương trình (10) với ma trận hệ số đường chéo liên kết vận tốc tuyến tính với lực làm chậm chuyển động [5].12) 𝑚 𝑚 𝑧̈ 1 𝐶𝜃 𝐶∅ 0 0 𝐴𝑧 𝑧̇ Trong đó, Ax, Ay và 𝐴z là các hệ số lực kéo cho vận tốc theo các hướng tương ứng của khung quán tính.
Một số hiệu ứng khí động học khác có thể được đưa vào mô hình. Ảnh hưởng của hiệu ứng khí động học rất phức tạp và các hiệu ứng rất khó để mô hình hóa. Ngoài ra một số hiệu ứng có tác dụng đáng kể chỉ trong vận tốc cao. Do đó, các hiệu ứng này được loại trừ khỏi mô hình và mô hình đơn giản được trình bày được sử dụng.
Hệ thống IMU 2. Hệ thống IMU Đơn vị đo lường quán tính (IMU) là một thiết bị điện tử đo và xác định các giá trị gia tốc, hướng và gia tốc của phương tiện đang di chuyển như máy bay, tên lửa, v. IMU là sự kết hợp của các cảm biến bao gồm gia tốc kế, con quay hồi chuyển và cảm biến từ tùy thuộc vào thiết bị. IMU thường được sử dụng để kiểm soát chuyển động của máy bay có người lái hoặc tự lái [7-8].
12 do an Hình 2. Góc Euler Roll, Pitch, Yaw Hệ thống dẫn đường quán tính (INS) được sử dụng chủ yếu trong vận chuyển, hàng không vũ trụ, phương tiện, cũng như trong robot tự trị. Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến trong hệ thống IMU cho phép máy tính xác định vị trí của các máy bằng các phương pháp tính toán. Một INS bao gồm hai thành phần: IMU và máy tính điều hướng.
• IMU chịu trách nhiệm đọc các giá trị đo được từ các cảm biến (gia tốc kế, con quay hồi chuyển, v.), sau đó dữ liệu sẽ được gửi đến máy tính để tính toán và xác định vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian. • Máy tính điều hướng chịu trách nhiệm chuyển đổi tọa độ, tính toán gia tốc trọng trường và thực hiện các thuật toán tích hợp.4 cho thấy các góc Euler của quadcopter [3-4]. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản nhất của IMU là chúng thường tích lũy lỗi theo thời gian. Do việc cập nhật liên tục các thay đổi được đo dựa trên các giá trị được tính toán trước đó, bất kỳ lỗi nào ngay cả trong nhỏ Đo lường quy mô sẽ được tích lũy theo thời gian.