Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ điều khiển cân bằng trượt cho máy bay bốn cánh quạt

• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Cân Bằng Trượt Cho Máy Bay Quadrotor
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu các thiết bị bay
• 1.2. Giải thích tài liệu
• 1.3. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH
• 2.1. Giới thiệu quadrotor
• 2.2. Mô-men trên trục x (Roll) U2 [Nm]
• 2.3. Mô-men trên trục y (Pitch) U3 [Nm]
• 2.4. Mô-men trên trục z (Yaw) U4 [Nm]
• 2.5. Mô hình hóa theo Newton – Euler
• 2.6. Kết cấu hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.1. Khung quadrotor
• 3.2. Thông số mô hình vật lý
• 3.3. Giải pháp chống rung
• 3.4. Pin
• 3.5. Board điều khiển APM 2.7
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Bộ điều khiển thích nghi
• 4.2. Bộ điều khiển PID
• 4.3. Thực hiện giải thuật trên mô hình thật
• 4.4. Các cảm biến
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN
• 5.1. Kết quả thí nghiệm
• 5.2. Mô phỏng Simulink các giải thuật điều khiển
• 5.3. Kết luận
• 5.4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. Hiệu chỉnh tín hiệu RC
• B. Bo APM 2. Các ngõ vào ra
• C. Datasheet của phần cứng quadrotor

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển cân bằng trượt cho máy bay quadrotor

Máy bay quadrotor đã trở thành một phần quan trọng trong lĩnh vực công nghệ UAV. Việc thiết kế bộ điều khiển cân bằng trượt cho máy bay quadrotor không chỉ giúp cải thiện tính ổn định mà còn nâng cao khả năng điều khiển. Bộ điều khiển này sử dụng các thuật toán tiên tiến để đảm bảo rằng máy bay có thể duy trì trạng thái cân bằng trong mọi điều kiện bay. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như giám sát, cứu hộ và khảo sát địa hình.

1.1. Khái niệm về máy bay quadrotor và ứng dụng của nó

Máy bay quadrotor là một loại UAV có bốn cánh quạt, cho phép nó bay lên và hạ xuống một cách linh hoạt. Ứng dụng của quadrotor rất đa dạng, từ giám sát an ninh đến khảo sát địa hình. Sự phát triển của công nghệ quadrotor đã mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực khác nhau.

1.2. Tại sao cần thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho quadrotor

Bộ điều khiển cân bằng giúp duy trì sự ổn định của máy bay trong quá trình bay. Khi gặp gió mạnh hoặc thay đổi trọng lực, bộ điều khiển này sẽ tự động điều chỉnh để giữ cho máy bay không bị lật hoặc rơi. Điều này rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các nhiệm vụ bay.

II. Các thách thức trong việc thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho quadrotor

Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay quadrotor gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xử lý các yếu tố như gió, trọng lực và tải trọng. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến khả năng bay và độ ổn định của máy bay. Việc phát triển một bộ điều khiển hiệu quả đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố này và cách chúng tương tác với nhau.

2.1. Ảnh hưởng của gió đến sự ổn định của quadrotor

Gió có thể gây ra sự dao động lớn cho máy bay quadrotor, làm giảm khả năng điều khiển. Bộ điều khiển cần phải có khả năng phản ứng nhanh chóng để điều chỉnh lại hướng bay và duy trì sự ổn định.

2.2. Tác động của tải trọng đến hiệu suất bay

Khi máy bay mang theo tải trọng nặng, hiệu suất bay sẽ bị ảnh hưởng. Bộ điều khiển cần phải tính toán và điều chỉnh lực nâng để đảm bảo máy bay vẫn có thể bay ổn định.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển cân bằng trượt cho quadrotor

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển cân bằng trượt bao gồm việc sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như Adaptive Sliding Mode Control. Phương pháp này cho phép bộ điều khiển tự động điều chỉnh theo các điều kiện bay khác nhau, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao.

3.1. Giới thiệu về thuật toán Adaptive Sliding Mode Control

Thuật toán Adaptive Sliding Mode Control là một phương pháp điều khiển mạnh mẽ, cho phép bộ điều khiển thích nghi với các thay đổi trong môi trường bay. Phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và độ ổn định của máy bay quadrotor.

3.2. So sánh giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển PID thường được sử dụng nhưng có những hạn chế trong việc xử lý các biến động lớn. Trong khi đó, bộ điều khiển trượt có khả năng xử lý tốt hơn trong các tình huống khó khăn, giúp máy bay duy trì sự ổn định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển cân bằng trượt cho quadrotor

Bộ điều khiển cân bằng trượt đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ giám sát an ninh đến cứu hộ thiên tai. Việc sử dụng bộ điều khiển này giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của máy bay quadrotor trong các nhiệm vụ quan trọng.

4.1. Ứng dụng trong giám sát an ninh

Máy bay quadrotor được trang bị bộ điều khiển cân bằng trượt có thể thực hiện các nhiệm vụ giám sát an ninh hiệu quả hơn. Chúng có khả năng bay ổn định trong các điều kiện thời tiết xấu, giúp thu thập dữ liệu chính xác.

4.2. Ứng dụng trong cứu hộ thiên tai

Trong các tình huống khẩn cấp, máy bay quadrotor có thể được sử dụng để tìm kiếm và cứu hộ. Bộ điều khiển cân bằng trượt giúp máy bay hoạt động ổn định, ngay cả trong điều kiện gió mạnh.

V. Kết luận và tương lai của bộ điều khiển cân bằng trượt cho quadrotor

Bộ điều khiển cân bằng trượt cho máy bay quadrotor đã chứng minh được hiệu quả trong việc duy trì sự ổn định và nâng cao khả năng điều khiển. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới trong lĩnh vực UAV.

5.1. Tương lai của công nghệ UAV

Công nghệ UAV đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng mới được khám phá. Bộ điều khiển cân bằng trượt sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của máy bay quadrotor.

5.2. Những thách thức cần vượt qua

Mặc dù đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, như cải thiện độ chính xác và khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.