Chương 1. Tổng quan đề tài Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Hệ thống phần cứng Chương 4.
Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 5. Kết quả chế tạo, thực nghiệm và đánh giá Chương 6. Kết luận và hướng phát triển 5 CHƯƠNG 2. Lý thuyết điều khiển bay 2.
Chuyển động cơ bản Quadcopter, một máy bay không người lái (UAV), bao gồm bốn động cơ. Bốn cánh quạt gắn trên bốn động cơ giúp tạo ra lực nâng cho phép drone bay lên khi cánh quạt quay. Nguyên lý hoạt động chính của mô hình này dựa trên sự chuyển động của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra làm drone bay lên và sự điều chỉnh tốc độ động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay của drone.1 dưới đây biểu thị cấu trúc cơ bản của một quadcopter. Hướng xoay của motor khi quadcopter bay Các cánh quạt số 1 và 2 (CCW) quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi cánh quạt số 3 và 4 (CW) quay cùng chiều kim đồng hồ để cân bằng momen xoắn tạo bởi bốn cánh quạt.
Chuyển động của drone được chia thành 4 loại cơ bản dựa trên mối quan hệ chuyển động của 4 cánh quạt gắn trên động cơ, bao gồm: Throttle/ Hover: Chuyển động lên và xuống của drone + Nếu cả 4 cánh quạt xoay với tốc độ thấp, drone sẽ bay xuống. + Nếu cả 4 cánh quạt xoay với tốc độc cao, drone sẽ bay lên. Pitch: Chuyển động của drone quanh trục ngang (tiến hoặc lùi) + Nếu 2 cánh quạt sau (2 và 4) của drone xoay với tốc độ cao, drone sẽ bay về phía trước. + Nếu 2 cánh quạt trước (1 và 3) của drone xoay với tốc độ cao, drone sẽ bay về phía sau.
Roll: Chuyển động của drone quanh trục dọc (nghiêng sang trái hoặc phải) 6 + Nếu 2 cánh quạt bên phải (1 và 4) của drone xoay với tốc độ cao, drone sẽ bay về bên trái. + Nếu 2 cánh quạt bên trái (2 và 3) của drone xoay với tốc độ cao, drone sẽ bay về phía phải. Yaw: Chuyển động của drone xoay quanh trục thẳng đứng (trục Z) + Nếu hai cánh quạt chéo bên phải (1 và 2) xoay ở tốc độ cao thì drone sẽ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. + Nếu hai cánh quạt chéo bên trái (3 và 4) xoay ở tốc độ cao thì drone sẽ quay theo chiều kim đồng hồ.
Chuyển động cơ bản của drone 2. Hệ trục toạ độ Để mô tả chính xác hành vi của một quadcopter, ta cần đến hai hệ toạ độ: hệ toạ độ gắn theo thân (body frame) và hệ toạ độ quán tính (inertial frame). Lý do cần hai hệ toạ độ là vì quadcopter có nhiều cảm biến khác nhau, ví dụ như con quay hồi chuyển và gia tốc kế, cung cấp các giá trị đo theo hệ toạ độ gắn theo thân, trong khi đó các cảm biến khác như GPS và từ kế lại cung cấp các giá trị đo theo hệ toạ độ quán tính. Do đó, cần có một cách chuyển đổi để thống nhất các phương trình hệ thống về một hệ toạ độ duy nhất.
7 Hệ trục tọa độ gắn theo thân: Đây là hệ trục tọa độ gắn liền với thân quadcopter, với gốc ở tâm của quadcopter. Hệ trục này được sử dụng để mô tả chuyển động của máy bay so với môi trường xung quanh. Hệ trục tọa độ quán tính: Đây là hệ trục tọa độ cố định với gốc được chọn là một điểm cố định trên Trái Đất, thường được biểu thị bằng hệ tọa độ North-East-Down. Hệ trục này được sử dụng để mô tả chuyển động của quadcopter so với Trái Đất.3 biểu diễn các hệ trục toạ độ trong quadcopter.
Các trục toạ độ trong quadcopter 2. Góc Euler Trong hai hệ toạ độ kể trên, hệ toạ độ quán tính được sử dụng để xác định mô hình toán học của quadcopter vì nó giúp đơn giản hóa thuật toán điều khiển. Bên cạnh đó, việc kiểm soát góc Euler được thực hiện dựa trên hệ toạ độ quán tính. Do đó, cần chuyển đổi hệ toạ độ gắn với thân máy bay của quadcopter sang hệ toạ độ quán tính.
Phân loại drone điều khiển từ xa Drone, như đã nói ở trên có thể được điều khiển bằng hai cách, một là dùng tay cầm và hai là điều khiển hoàn toàn bằng phần mềm điều khiển từ xa, thường được gọi là GCS (Ground Control Station) - trình điều khiển mặt đất. Drone điều khiển bằng tay cầm Điều khiển bằng tay cầm cho phép người dùng được tuỳ chỉnh và bay drone theo sở thích, biến drone thành thiết bị bay phục vụ nhiều mục đích. Việc bay này có thể được thực hiện dễ dàng bằng một chiếc tay cầm nhỏ gọn và ở một số trường hợp sẽ có thêm một chiếc kính kết nối 8 đến drone để giúp việc điều khiển được đơn giản và tốt hơn. Ngược lại với điều khiển bằng tay thì điều khiển drone bằng phần mềm lại giúp biến drone thành những “công nhân” nhưng có khả năng bay, từ đó mở rộng chức năng và khả năng của drone lên một tầm cao mới.
Drone điều khiển bằng tay cầm 2. Drone điều khiển bằng trình điều khiển bên ngoài Drone điều khiển bằng trình điều khiển bên ngoài là một loại drone được điều khiển bởi một bộ điều khiển chuyên dụng kết nối với máy tính hoặc tay cầm điều khiển. Loại drone này mang đến trải nghiệm bay hoàn toàn mới mẻ và thú vị, mở rộng tiềm năng ứng dụng cho drone trong nhiều lĩnh vực. Bằng việc sử dụng phần mềm điều khiển từ xa việc điều khiển drone được dễ dàng hơn và chính xác hơn.
Các chương trình điều khiển còn hỗ trợ thêm các tính năng như theo dõi cũng như lên hành trình cho drone, giúp cho việc bay drone được kiểm soát tốt. Các chương trình bay còn được tích hợp nhiều tính năng tự động bay thông minh như: lập trình lộ trình bay, tự động cất cánh và hạ cánh, bay theo điểm, tránh chướng ngại vật,. giúp giảm thiểu thao tác cho phi công và nâng cao hiệu quả bay. Ngoài ra thì các chương trình điều khiển còn giúp theo dõi các thông tin quan trọng của drone như: dung lượng pin, tốc độ bay, độ cao, nhiệt độ động cơ,.
giúp họ kiểm soát tình trạng drone và đưa ra quyết định bay phù hợp. Phần lớn các tác vụ sử dụng drone chuyên nghiệp như quay phim, chụp ảnh, khảo sát địa hình, phun thuốc trừ sâu,. đều sử dụng các drone có khả năng điều khiển từ xa. Drone điều khiển bằng laptop 2.
Phương thức điều khiển master/slave Phương thức điều khiển nhóm cho một loại vật thể thường có rất nhiều dạng và cách thức, với mỗi phương pháp thì cách thức điều khiển cũng khác nhau và loại giao thức sử dụng cũng khác nhau. Có một số phương thức điều khiển từ xa thông dụng bằng cách thông qua thiết bị như bộ điều khiển từ xa (Ground Control Station), hay điều khiển qua một máy chủ thông qua một server giao tiếp. Với các kiểu điều khiển này thì drone thường được điều khiển tách biệt (decentralize) từng con, với mỗi con có thể bay một lộ trình hoàn toàn khác nhau và thực hiện những nhiệm vụ khác nhau. Ở đồ án lần này thì nhóm tôi sử dụng raspberry và mạch điều khiển bay làm bộ điều khiển của drone và điều khiển drone bằng phương thức master - slave.
Phương thức master/slave Phương thức master-slave là một mô hình tổ chức và quản lý các thành phần trong các hệ thống máy tính, mạng, và tự động hóa, trong đó có sự phân chia rõ ràng giữa hai vai trò chính. Master - thành phần chủ động và chịu trách nhiệm điều khiển và ra lệnh. Là thành phần chính trong mô hình thường là thiết bị có khả năng xử lý cao hơn, có tầm quan trọng và ảnh hưởng lớn đối với hoạt động của toàn bộ hệ thống, master có quyền kiểm soát và điều khiển các hoạt động của các thành phần khác. Vai trò của master thường bao gồm việc phân phối tài nguyên, quản lý lập lịch, điều khiển luồng dữ liệu, và đảm bảo sự phối hợp giữa các thành phần con hay còn gọi là slave.
Slave trong một giao thức master - slave là các thành phần hoặc thiết bị dưới sự kiểm soát và điều khiển của master, chúng thường là các thiết bị hoặc thành phần có chức năng thực thi các lệnh, nhiệm vụ được gửi từ master. Trong một hệ thống điều khiển thông thường thì các slave không có quyền tự do quyết định mà phải phục thuộc vào quyết định và chỉ thị từ master để hoàn thành các tác vụ. Đây là một mô hình điều khiển rất phổ biến và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như mạng máy tính, lưu trữ dữ liệu hay điều khiển và tự động hoá. Lợi ích của mô hình master-slave bao gồm sự tổ chức rõ ràng, khả năng điều khiển hiệu quả và tăng tính tin cậy của hệ thống.
Tuy nhiên, mô hình này cũng có nhược điểm là sự phụ thuộc cao vào master, nếu master gặp sự cố thì toàn bộ hệ thống có thể bị ảnh hưởng. Để giải quyết vấn đề này, có thể sử dụng các chiến lược như sao lưu dự phòng dữ liệu, an toàn truyền nhận hoặc triển khai các mô hình master-multiple slaves hoặc slave communicate double check để tăng tính dự phòng và khả năng chịu lỗi của hệ thống. Bộ điều khiển PID Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Công thức của bộ điều khiển PID: 𝑡 𝑑𝑒(𝑡 ) 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡 ) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝜏) 𝑑𝜏 + 𝐾𝑑 0 𝑑𝑡 Trong đó: + 𝐾𝑝 là độ lợi tỷ lệ, giá trị càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh tuy nhiên sai số càng lớn. + 𝐾𝑖 là độ lợi tích phân, giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị triệt tiêu càng nhanh, nhưng đổi lại độ vọt lố càng lớn.
+ 𝐾𝑑 là độ lợi vi phân, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng sẽ làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định. + 𝑡 là thời gian tức thời hiện tại. + 𝜏 là biến tích hợp, xác định thời điểm từ 0 đến 𝑡.