đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản. Thiết Kế và Tính Toán: Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, và tính toán các thuật toán PID. Thi công hệ thống: Lắp ráp phần cứng và xây dựng phần mềm, vẽ lưu đồ giải thuật và hướng dẫn sử dụng.
Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá: Trình bày kết quả thực hiện được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề nào. Kết Luận và Hướng Phát Triển: Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát triển và ứng dụng của robot. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER Quadcopter là thiết bị bay hay mô hình bay không người lái còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles).
Quadcopter gồm 4 động cơ chính và 4 ESC để điều khiển bay. Bốn cánh quạt được gắn trên 4 rotors giúp tạo lực nâng cho phép quadcopter bay lên khi cánh quạt quay theo 1 chiều xác định. Các chế độ bay chung cho các quadcopter hay multi-copter: Bay lên trên (cất cánh). Bay xuống dưới(hạ cánh).
Bay sang phải (rẽ phải). Bay sang trái (rẽ trái). Bay về phía trước. Bay về phía sau.
Bay theo một số hướng khác tùy ý. Để quadcopter có thể bay lên ta tăng đều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm tăng lực nâng của chúng theo phương thẳng đứng (trục Z), như vậy để hạ cánh ta chỉ cần giảm điều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm giảm lực nâng theo phương thẳng đứng. Điều khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control) là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương dọc (trục X) bằng cách tăng thêm một lượng tốc độ quay vào rotor trải và phải, giảm một lượng ở rotor đuôi hoặc giảm một lượng ở 2 rotor trái và phải, tăng một lượng ở rotor đuôi. Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương ngang (trục Y) bằng cách tăng thêm một lượng vận tốc quay vào rotor trái và giảm một lượng vào rotor bên phải hoặc tăng rotor phải và giảm rotor trái.
Điều khiển quadcopter quay quanh nó chính (Yaw-control) là thay đổi hướng của quadcopter, điều này giúp quadcopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hướng đầu đuôi của quadcopter. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Chiều quay của động cơ.2 ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC 2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter Cặp cánh trái phải quay ngược chiều kim đồng hồ, cặp cánh trước sau quay cùng chiều kim đồng hồ.2: Chuyển động cơ bản của quadcopter. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2.2 Lý thuyết chuyển động của quadcopter và mô hình động lực học[3] Nguyên lý hoạt động chính của mô hình này hoạt động dựa trên sự chuyển động của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra di chuyển xuống dưới làm vật bay lên trên và sự điều chỉnh vận tốc từng động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay của Quadcopter.
Để mô tả các chuyển động của một khung cứng 6 bậc tự do cần 2 hệ quy chiếu. E1 hệ quy chiếu quán tính Trái Đất EB hệ quy chiếu khung Quadcopter Sự định hướng Quadcopter được biểu thị bởi 3 góc Euler qua ma trận xoay R (1) 𝐶𝜔 𝐶𝜃 𝐶𝜔 𝑆𝜃 𝑆∅ − 𝑆𝜔 𝐶𝜃 𝐶𝜔 𝑆𝜃 𝑆∅ + 𝑆𝜔 𝐶𝜃 R= ( 𝑆𝜔 𝐶𝜃 𝑆𝜔 𝑆𝜃 𝑆∅ + 𝐶𝜔 𝐶∅ 𝑆𝜔 𝑆𝜃 𝑆∅ − 𝐶𝜔 𝐶∅ ) −𝑆𝜃 𝐶𝜃 𝑆∅ 𝐶𝜃 𝐶∅ Lực sinh ra của các động cơ: Fi = b. 𝜔𝑖2 , i= 1,2,3,4 Khi đó lực nâng cho cả khung máy bay là: 𝑇 = ∑4𝑖=1|𝐹𝑖 | = ∑4𝑖=1 𝜔𝑖2 (2) Phương trình mô tả gia tốc Quadcopter: 𝑥̈ 0 0 𝑇 𝑟̈ = (𝑦̈ ) = 𝑔. (0) - R (0) (3) 𝑚 𝑧̈ 1 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Mô hình momen quay. Phương trình quan hệ giữa ma trận quán tính IR = (Ix,Iy,Iz), moment quay M và moment quay hồi chuyển MG: I. 1 𝑚 𝐼𝑦 −𝐼𝑍 𝐼 𝐿 ∅̈= 𝜃̇𝜓̇ ( ) − 𝑅 ∅̇𝑔(𝑢) + 𝑢2 𝐼𝑥 𝐼𝑥 𝐼𝑥 𝐼 −𝐼 𝐼 𝐿 𝜃̈ = ∅̇𝜓̇ ( 𝑧 𝑥) − 𝑅 ∅̇𝑔(𝑢) + 𝑢3 𝐼𝑦 𝐼𝑦 𝐼𝑦 𝐼𝑥 −𝐼𝑦 1 𝜓̈ = ∅̇𝜃̇ ( ) + 𝑢4 𝐼𝑧 𝐼𝑧 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Hệ quy chiếu A và B với chiều dài l và tổng moment quay.3 Mô hình tính toán khí động lực học Việc tính toán khí động học mô tả các tác động khi quay của cánh quạt trong không khí.
Với các thông số: 𝑇𝑀𝑁 (N) là lực đẩy của cánh quạt, hướng lên, S(𝑚2 ) là diện tích của quạt, 𝜌𝑠 (kg/𝑚3 ) là mật độ không khí. Ta có phương trình của lực đẩy: 𝑇𝑀𝑁 = 2𝜌𝑆𝑣12 (N) (7) 𝑚𝑔 Do lực đẩy 𝑇𝑀𝑁 = 𝑊𝑃 = (trọng lực được mang bởi một cánh quạt): 4 Vận tốc dòng khí cho mỗi cánh quạt: 𝑉1 = √(𝑊𝑃 )/(2𝑆𝜌𝑠 ) (m/s) (8) 2.4 Tính toán các thông số chế tạo Tổng khối lượng 1.2kg, kích thước 620x620x250mm mật độ không khí trong điều kiện ở 25 độ C và áp suất không khí tại mặt đất khoảng 1atm: 𝜌 = 1.1252 =0,049𝑚2 4 Ta tính được tổng lực nâng: 𝑇′𝑀𝑇 = 4𝑇𝑀𝑇 = 4𝑊𝑃 = 4.8 ( ) 𝑠 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo tính toán trên để nâng Quadcopter khỏi mặt đất ta tính chọn sau: Để đảm bảo Quadcopter có thể chuyển động được thì khoảng cách giữa 2 động cơ trên cùng 1 trục phải đủ dài 𝑙 ≥ (𝐷𝑐𝑎𝑛ℎ𝑞𝑢𝑎𝑡⁄√2).3 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID[1] Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ 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.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID. Sử dụng bộ điều khiển PID không nhất thiết phải gồm đầy đủ 3 khâu, tùy theo hệ thống ta có thể chỉ cần sử dụng 1 hoặc 2 khâu, hệ số K của khâu còn lại bằng 0 và khi đó bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I. Bộ điều khiển PI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.1 Khâu tỉ lệ Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ. Pout = Kp*e(t) (1) Pout: thừa số tỷ lệ đầu ra. Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh.
t: thời gian tức thời (hiện tại). Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng). Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.6: Đồ thị đáp ứng Kp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƯƠNG 2.2 Khâu tích phân: Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.
Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân. 𝑡 Iout = Ki∫0 𝑒 (𝑡 )𝑑𝑡 (2) Iout : Đáp ứng ngõ ra của khâu tích phân. Ki : Độ lợi tích phân. e(t): sai số theo thời gian.
Khâu tích phân giúp tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống để hệ thống nhanh đạt tới điểm đặt và khử dư sai số ổn định. Tuy nhiên vì khâu tích phân tích lũy sai số nên nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt.7: Đồ thị đáp ứng Ki. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 do an CHƯƠNG 2.3 Khâu vi phân: Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kp. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân Kp.
𝑒(𝑡) (3) 𝑑𝑡 Dout: đáp ứng ngõ ra khâu vi phân. Kd: độ lợi vi phân.8: Đồ thị đáp ứng Kd.4 Xây dựng thuật toán điều khiển Sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng: Góc đặt Sai số Góc thực PWM Tần số ,=0 3f , _ Điều khiển ESC Động cơ Quadcopte PID r Cảm biến Gyro Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.10: Tín hiệu điều khiển hoàn chỉnh Trong sơ đồ điều khiển này, mô hình sẽ tự điều chỉnh trạng thái phù hợp với các thông số điều khiển: độ cao, roll, pitch, yaw.