Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình quadcopter 4 cánh, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• 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 Và Chế Tạo Mô Hình Quadcopter 4 Cánh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Lịch sử phát triển Quadcopter
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5. Mục tiêu của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Đối tượng nghiên cứu
• 1.8. Bố cục đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình động lực học của Quadcopter
• 2.2. Ma trận quay R
• 2.3. Động lực học lớp đệm chất khí
• 2.4. Thuyết động lượng
• 2.5. Lý thuyết phần tử về cánh quạt
• 2.6. Hình dáng khí động học
• 2.7. Lý thuyết động học của chuyển động lên thẳng
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUADCOPTER
• 3.1. Lý thuyết điều khiển trượt
• 3.2. Nguyên lý điều khiển trượt
• 3.3. Cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi
• 3.4. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại
• 3.5. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
• 3.6. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh STR (Self Tuning Regulator)
• 3.7. Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control)
• 3.8. Bộ điều khiển trượt cho Quadcopter
• 3.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện trong Quadcopter
• 3.10. Sơ đồ khối bộ hệ thống điều khiển
• 3.11. Sơ đồ khối bộ hệ thống điều khiển xây dựng trên Matlab Simulink
• 3.12. Những tồn tại của hệ ĐKTN
• 3.13. Bộ điều khiển UIO
• 3.14. Đề xuất giải thuật UIO
• 3.15. Mô hình hóa và mô phỏng giải thuật UIO
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thiết kế phần cứng thực nghiệm
• 4.2. Xây dựng cơ cấu cơ khí
• 4.3. Xây dựng phần cứng điều khiển
• 4.4. Thực nghiệm quá trình đáp ứng giữa tay điều khiển và tốc độ động cơ
• 4.5. Sự tương quan giữa bình phương tốc độ và lực nâng
• 4.6. Sự tương quan giữa bình phương tốc độ và mô men
• 4.7. Thử nghiệm bay thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Quadcopter

Nghiên cứu về quadcopter đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ UAV. Quadcopter 4 cánh có cấu trúc đơn giản, dễ dàng điều khiển và có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau như giám sát môi trường, cứu hộ và các ứng dụng trong nông nghiệp. Theo nghiên cứu, mô hình bay này có thể cất cánh và hạ cánh trong không gian nhỏ, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc phát triển công nghệ UAV đã mở ra nhiều cơ hội cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong việc cải thiện hiệu suất và tính ổn định của quadcopter.

1.1. Lịch sử phát triển Quadcopter

Chiếc quadcopter đầu tiên được chế tạo vào năm 1907 bởi Charles Richet và Charles Breguet. Qua nhiều thập kỷ, công nghệ này đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể. Đến năm 1956, thiết kế quadcopter đã được hồi sinh với những cải tiến về động cơ và điều khiển. Ngày nay, quadcopter đã trở thành một sản phẩm thương mại phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ quân sự đến dân sự.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Tại Việt Nam, nghiên cứu về quadcopter còn khá mới mẻ, nhưng đã có một số công trình đáng chú ý. Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc cải thiện tính ổn định và khả năng điều khiển của quadcopter. Ở nước ngoài, nhiều công ty và tổ chức nghiên cứu đã phát triển các mô hình quadcopter thương mại với tính năng vượt trội, như Draganflyer X-Pro và MD4-200, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của công nghệ này.

II. Cơ sở lý thuyết về Quadcopter

Mô hình động lực học của quadcopter là một phần quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo. Mô hình bay này có 6 bậc tự do, với 12 biến trạng thái để mô tả. Các biến này bao gồm độ cao và các góc Roll, Pitch, Yaw. Việc hiểu rõ về động lực học của quadcopter giúp các nhà nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả hơn. Các phương pháp điều khiển như PID và UIO đã được áp dụng để cải thiện tính ổn định và khả năng phản hồi của quadcopter trong các tình huống bay khác nhau.

2.1. Mô hình động lực học

Mô hình động lực học của quadcopter được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Các biến trạng thái được sử dụng để mô tả chuyển động của quadcopter trong không gian ba chiều. Việc phân tích động lực học giúp xác định các lực tác động lên quadcopter trong quá trình bay, từ đó phát triển các thuật toán điều khiển phù hợp.

2.2. Các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển như PID và UIO đã được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện hiệu suất của quadcopter. Bộ điều khiển UIO cho phép tích hợp các tham số thực tế vào mô hình động, giúp tăng cường khả năng điều khiển và ổn định trong quá trình bay. Nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển UIO có hiệu suất vượt trội so với các phương pháp truyền thống, đặc biệt trong các tình huống bay phức tạp.

III. Thiết kế và chế tạo mô hình Quadcopter

Quá trình thiết kế và chế tạo quadcopter bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn vật liệu đến việc xây dựng hệ thống điều khiển. Việc sử dụng vật liệu nhẹ như sợi carbon giúp giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt cho quadcopter. Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên các thuật toán đã nghiên cứu, đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng của quadcopter bao gồm việc lựa chọn động cơ, cánh quạt và các cảm biến cần thiết. Các bộ phận này phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất bay tốt nhất. Việc thiết kế mạch điện và bo mạch PCB cũng rất quan trọng, giúp kết nối các thành phần và đảm bảo hoạt động đồng bộ của hệ thống.

3.2. Thực nghiệm và kiểm tra

Sau khi hoàn thành việc chế tạo, quadcopter sẽ được đưa vào thử nghiệm thực tế. Các bài kiểm tra sẽ đánh giá khả năng bay, độ ổn định và khả năng phản hồi của hệ thống điều khiển. Kết quả từ các bài thử nghiệm sẽ được phân tích để điều chỉnh và cải thiện thiết kế, đảm bảo quadcopter hoạt động hiệu quả trong các tình huống thực tế.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về quadcopter tại HCMUTE đã đạt được nhiều kết quả khả quan, mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ UAV trong thực tiễn. Các kết quả thử nghiệm cho thấy tính ổn định và hiệu suất của quadcopter đã được cải thiện đáng kể nhờ vào việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng khả năng ứng dụng của quadcopter trong các lĩnh vực như nông nghiệp, giám sát môi trường và cứu hộ.

4.1. Kết quả đạt được

Kết quả nghiên cứu cho thấy quadcopter có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Việc áp dụng bộ điều khiển UIO đã giúp cải thiện đáng kể khả năng điều khiển và phản hồi của hệ thống. Những thành công này mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong tương lai.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc nghiên cứu và phát triển các mô hình quadcopter với tính năng nâng cao, như khả năng tự động hóa và tích hợp các công nghệ mới như AI và machine learning. Điều này sẽ giúp quadcopter trở thành một công cụ hữu ích hơn trong nhiều lĩnh vực, từ nông nghiệp đến giám sát môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quadcopter, một loại thiết bị bay không người lái với bốn động cơ không chổi than, đã trở thành một chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực. Từ năm 1907 khi chiếc Quadcopter đầu tiên được chế tạo, đến nay, thiết bị này đã phát triển vượt bậc với khả năng cất cánh thẳng đứng, hạ cánh trong không gian nhỏ và thực hiện nhiều trạng thái bay khác nhau. Theo ước tính, Quadcopter có thể phục vụ đa dạng các ứng dụng như cứu hộ, giám sát môi trường, quản lý tài nguyên và nông nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và tính ổn định trong bay, việc nghiên cứu và cải tiến các thuật toán điều khiển Quadcopter trở nên cấp thiết. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Quadcopter 4 cánh với bộ điều khiển bay dựa trên thuật toán Unknown Input Observer (UIO), nhằm tăng cường tính ổn định và khả năng điều khiển chính xác. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2018-2020 tại thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào việc phát triển mô hình động lực học, thiết kế phần cứng và kiểm nghiệm thực nghiệm.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm thiểu sai số và tăng độ bền vững của Quadcopter trong các ứng dụng thực tế, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ UAV trong nước và quốc tế. Các chỉ số hiệu suất như độ ổn định tốc độ bay, sai số góc Roll, Pitch, Yaw được cải thiện rõ rệt so với các bộ điều khiển truyền thống, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính để xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển Quadcopter:

1. Mô hình động lực học Quadcopter: Quadcopter được mô tả là hệ thống 6 bậc tự do với 12 biến trạng thái, bao gồm các góc Euler (Roll, Pitch, Yaw) và vận tốc góc tương ứng. Ma trận quay R được sử dụng để chuyển đổi giữa hệ tọa độ mặt đất và hệ tọa độ vật thể, giúp mô hình hóa chính xác chuyển động của Quadcopter. Phương trình động học dựa trên định luật Newton và các mô hình khí động học như thuyết động lượng (Momentum Theory) và lý thuyết phần tử cánh quạt (Blade Element Theory) được áp dụng để tính toán lực nâng, mô-men xoắn và các lực tác động lên cánh quạt.

2. Thuật toán điều khiển Unknown Input Observer (UIO): UIO là thuật toán điều khiển hiện đại, cho phép ước lượng và bù trừ các nhiễu không xác định và các tham số thực tế của hệ thống như hệ số mô-men xoắn, lực kéo của động cơ không chổi than và quán tính của thân máy. So với bộ điều khiển PID truyền thống, UIO giúp tăng tính ổn định và chính xác trong điều khiển bay, đặc biệt trong các trạng thái bay ổn định và tốc độ cao.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: góc Euler, ma trận quay, mô-men quán tính, lực nâng khí động học, hệ số mô-men xoắn, thuật toán điều khiển trượt (Sliding Mode Control), và hệ điều khiển thích nghi (Adaptive Control).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng trên Matlab Simulink và thiết kế phần cứng thực nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm:

• Hai bộ thiết bị thử nghiệm được phát triển để đo hệ số mô-men xoắn và hệ số nâng của động cơ không chổi than.
• Nền tảng thử nghiệm Quadcopter được thiết kế để kiểm tra trạng thái Pitch, Roll và Yaw, phục vụ xác minh thuật toán điều khiển và điều chỉnh tham số.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các tham số động học chính xác dựa trên dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng, nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng thực tế. Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua mô phỏng và thử nghiệm bay thực tế, so sánh hiệu suất giữa bộ điều khiển UIO và PID truyền thống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến tháng 5 năm 2020, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, thiết kế phần cứng, lập trình bộ điều khiển, mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất bộ điều khiển UIO vượt trội so với PID: Thí nghiệm bay thực tế cho thấy bộ điều khiển UIO có khả năng duy trì tốc độ bay ổn định cao hơn đáng kể, với sai số góc Roll, Pitch, Yaw giảm trung bình khoảng 15-20% so với bộ điều khiển PID truyền thống.

2. Mô hình động lực học chính xác hơn nhờ dữ liệu thực nghiệm: Hai bộ thiết bị thử nghiệm đo hệ số mô-men xoắn và lực nâng của động cơ không chổi than giúp xác định các tham số động học chính xác, giảm sai số mô hình xuống dưới 10%, nâng cao độ tin cậy của mô hình mô phỏng.

3. Nền tảng thử nghiệm hiệu quả trong việc kiểm tra trạng thái bay: Hệ thống kiểm tra Pitch, Roll và Yaw hoạt động ổn định, cho phép điều chỉnh tham số bộ điều khiển một cách linh hoạt, góp phần tối ưu hóa hiệu suất bay.

4. Khả năng bù trừ nhiễu và sai số của UIO: Thuật toán UIO có thể mô hình hóa và bù trừ các nhiễu không xác định và sai số mô hình, giúp Quadcopter duy trì trạng thái bay ổn định ngay cả trong điều kiện môi trường biến động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do bộ điều khiển UIO tích hợp các tham số thực tế của Quadcopter vào mô hình động lực học, bao gồm hệ số mô-men xoắn, lực kéo và quán tính, điều mà bộ điều khiển PID không làm được. Điều này giúp giảm thiểu sai số mô hình và tăng khả năng thích nghi với các điều kiện bay khác nhau.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại nhằm nâng cao tính ổn định và độ chính xác của UAV. Việc sử dụng mô hình động lực học kết hợp với dữ liệu thực nghiệm là điểm mạnh của nghiên cứu, giúp mô hình hóa sát thực tế hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh sai số góc Roll, Pitch, Yaw giữa UIO và PID, cũng như bảng thống kê các tham số động học đo được từ thiết bị thử nghiệm. Các biểu đồ mô phỏng trên Matlab Simulink minh họa quá trình điều khiển và phản hồi của hệ thống cũng góp phần làm rõ hiệu quả của thuật toán UIO.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển UIO trong các ứng dụng thực tế: Khuyến nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng bộ điều khiển UIO để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của Quadcopter trong các lĩnh vực như nông nghiệp, giám sát môi trường và cứu hộ. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

2. Phát triển thêm các thiết bị thử nghiệm đo tham số động học: Đề xuất thiết kế và sản xuất các bộ thiết bị đo lường chính xác hơn nhằm thu thập dữ liệu thực nghiệm đa dạng, phục vụ cho việc tối ưu hóa mô hình và thuật toán điều khiển. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và trường đại học.

3. Nâng cấp nền tảng thử nghiệm để kiểm tra đa dạng trạng thái bay: Mở rộng nền tảng thử nghiệm hiện tại để kiểm tra thêm các trạng thái bay phức tạp và điều kiện môi trường khác nhau, giúp đánh giá toàn diện hiệu suất bộ điều khiển. Thời gian thực hiện dự kiến 6-9 tháng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình hóa động lực học và thuật toán UIO cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình động lực học và thuật toán điều khiển hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến UAV.

2. Kỹ sư phát triển sản phẩm UAV và thiết bị bay không người lái: Các kỹ sư có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế và cải tiến hệ thống điều khiển, nâng cao hiệu suất và độ ổn định sản phẩm.

3. Các nhà quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao và giám sát môi trường: Tham khảo để hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng Quadcopter trong quản lý tài nguyên, cảnh báo cháy rừng, dịch bệnh và các sự cố môi trường.

4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển tự động: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi và bù trừ nhiễu cho các hệ thống cơ khí phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển UIO là gì và ưu điểm so với PID?
   Bộ điều khiển UIO (Unknown Input Observer) là thuật toán điều khiển có khả năng ước lượng và bù trừ các nhiễu không xác định trong hệ thống. So với PID, UIO tích hợp tham số thực tế của Quadcopter vào mô hình, giúp tăng tính ổn định và chính xác, đặc biệt trong điều kiện bay phức tạp.

2. Làm thế nào để đo hệ số mô-men xoắn và lực nâng của động cơ không chổi than?
   Nghiên cứu đã phát triển hai bộ thiết bị thử nghiệm chuyên dụng, sử dụng mạch bù và bo mạch PCB kết nối với phần mềm trên nền tảng nhúng để đo chính xác các tham số này, từ đó cải thiện mô hình động lực học.

3. Mô hình động lực học của Quadcopter có những biến trạng thái nào?
   Mô hình sử dụng 12 biến trạng thái, bao gồm các góc Euler (Roll, Pitch, Yaw), vận tốc góc tương ứng và vận tốc dài trong hệ tọa độ vật thể, giúp mô tả đầy đủ chuyển động 6 bậc tự do của Quadcopter.

4. Nền tảng thử nghiệm Quadcopter được sử dụng để làm gì?
   Nền tảng thử nghiệm cho phép kiểm tra và điều chỉnh trạng thái Pitch, Roll, Yaw của Quadcopter, xác minh hiệu quả thuật toán điều khiển và tối ưu tham số, đảm bảo hiệu suất bay thực tế.

5. Ứng dụng thực tế của Quadcopter trong nông nghiệp và môi trường là gì?
   Quadcopter có thể được sử dụng để giám sát rừng, cảnh báo cháy, phát hiện dịch bệnh, quản lý tài nguyên và môi trường, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và ứng phó biến đổi khí hậu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học chính xác cho Quadcopter 4 cánh dựa trên dữ liệu thực nghiệm đo hệ số mô-men xoắn và lực nâng.
• Thuật toán điều khiển UIO được thiết kế và mô phỏng trên Matlab Simulink, cho thấy hiệu quả vượt trội so với bộ điều khiển PID truyền thống.
• Nền tảng thử nghiệm thực tế đã được phát triển để kiểm tra và điều chỉnh các trạng thái bay, góp phần nâng cao độ ổn định và chính xác của Quadcopter.
• Kết quả thử nghiệm bay thực tế xác nhận ưu điểm của bộ điều khiển UIO trong việc duy trì tốc độ ổn định và giảm sai số góc bay.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng thực tế, nâng cấp thiết bị thử nghiệm và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Tiếp theo, việc triển khai ứng dụng bộ điều khiển UIO trong các lĩnh vực nông nghiệp, giám sát môi trường và cứu hộ là bước đi quan trọng để phát huy tối đa giá trị nghiên cứu. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển hiện đại dựa trên nền tảng này.

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van i Luan van ii Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van vii Luan van viii Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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. 8 xv Luan van 2. 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. 52 xvi Luan van 4. 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 Luan van 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 .2: Biểu thị giới hạn của x .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. 33 xviii Luan van Hình 3.12: 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.