Lời mở đầu Máy bay không người lái (UAV) trong những năm gần đây được dành nhiều sự quan tâm đặc biệt. Trước những thách thức về biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt về nguồn nhiên liệu hóa thạch, con người cần tìm ra những phương án sử dụng năng lượng một cách thông minh và tiết kiệm hơn. Những máy bay thông minh cỡ nhỏ tiêu thụ ít năng lượng ra đời nhằm tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng so với những thiết bị bay truyền thống, nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng thực hiện các nhiệm vụ trên không. Ngoài ý nghĩa về mặt năng lượng, UAV còn mang đến những tính năng mới mà một máy bay truyền thống đôi khi khó có thể sở hữu, như khả năng cơ động, ít tiếng ồn, trí tuệ nhân tạo,… Việc nghiên cứu về UAV là một xu hướng tất yếu của thời đại.
Nhận thức được điều này, em rất mong muốn được góp một phần nhỏ bé của bản thân vào nỗ lực chung của thế giới. Em và các bạn trong nhóm xin cảm ơn một vài người bạn ở các khoa khác đã hộ trợ bọn em về mảng soliwork và một vài thiết bị cần thiết trong quá trình tìm hiểu 7 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail. Giới thiệu chung Máy bay không người lái (quadrotor) là loại máy bay có thể được điều khiển từ xa thông qua hệ thống điều khiển dưới mặt đất hoặc hoàn toàn tự động bằng hệ thống máy tính gắn trên máy bay. Trong số các máy bay không người lái, quadrotor là loại máy bay có khả năng cất hạ cánh thẳng đứng mà không cần đường băng.
Bộ phận tạo ra lực đẩy và đồng thời cũng làm nhiệm vụ cân bằng cho máy bay là bốn động cơ. Toàn bộ các chuyển động của máy bay được điều khiển thông qua tăng giảm tốc độ quay của động cơ (không thong qua thay đổi góc tấn các cánh), từ đó dẫn đến thay đổi lực đẩy trên các cánh quạt. Do đó, so với các loại máy bay rotor khác, quadrotor có kết cấu cơ khí đơn giản hơn. Điều này đồng nghĩa với kết cấu của máy bay có độ tin cậy cao, do đó việc bảo trì sẽ đơn giản và ít tốn kém so với các loại máy bay khác.
Mặt khác, quadrotor tạo lực đẩy từ bốn cánh quạt nên cho phép tạo ra lực đẩy tương đương với các máy bay khác có kích thước cồng kềnh hơn do sử dụng cánh quạt có kích thước lớn hơn. Điều này là ưu thế cho phép quadrotor hoạt động trong các môi trường chật hẹp và nhiều vật cản như trong thành phố, ở các nơi không có quá nhiều không gian cho việc cất hạ cánh. Bên cạnh các ưu điểm, một trong số các hạn chế của quadrotor là hiệu suất lực đẩy của máy bay thấp do toàn bộ lực nâng của máy bay sinh ra từ lực đẩy của động cơ. Mặt khác, sử dụng cánh quạt có đường kính nhỏ cho tổn thất khí động lớn hơn so với cánh quạt có đường kính lớn.
Tuy vây, trong tương lai, việc chế tạo máy bay bằng các vật liệu mới có khối lượng nhẹ, sẽ đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất tiêu thụ năng lượng của máy bay. quadrotor đã và đang cho thấy sự hữu ích trong muôn vàn các ứng dụng trong cuộc sống. Với kích thước nhỏ gọn với khả năng mang theo tải trọng lớn, quadrotor có thể làm nhiệm vụ cứu hộ một cách hiệu quả (cứu thương, tìm kiếm cứu hộ sau thảm họa, cứu hỏa,…), đặc biệt trong thành phố, nơi mà nguy cơ tắc nghẽn giao thông đường bộ luôn có khả năng làm chậm trễ việc tiếp cận bằng các phương tiện cứu hộ đường bộ. Bên cạnh đó là rất nhiều ứng dụng trong việc vận chuyển hàng hóa, hay thậm chí cả trong quân sự (trinh sát, do thám,…).
Nguyên lý hoạt động của quadrotor quadrotor được thiết kế trong thực nghiệm này có dạng dấu cộng. Máy bay có 2 cặp cánh quạt thuận nghịch, với các cánh đặt đối diện nhau là cùng phía. Bên cạnh việc đóng góp vào lực đẩy để lấy độ cao cho máy bay, các cặp cánh còn tạo ra các chuyển động của máy bay xung quanh trọng tâm. Bằng cách tăng và giảm đồng thời tốc độ các 8 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 động cơ đặt đối xứng nhau, sẽ xuất hiện mô-men làm máy bay nghiêng một góc.
Từ đó ta có thể điều khiển máy bay di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang hoặc dọc so với hướng của máy bay. Với các cánh quạt quay giống nhau quay ở cùng tốc độ, các mô-men cản do không khí tác dụng lên các cánh quạt sẽ triêt tiêu lẫn nhau. Áp dụng nguyên tắc này, ta có thể ổn định góc hướng của máy bay theo hướng mong muốn, bằng cách thay đổi đồng thời tốc độ (cùng tăng hoặc cùng giảm) của cặp cánh đối diện nhau.1 giải thích cách thức tạo ra các chuyển động của quadrotor dạng dấu cộng [6,2]. Mô tả các chuyển động của quadrotor 1.
Lịch sử quadrotor Vào năm 1907, chiếc Gyroplane No.1 được chế tạo bởi anh em nhà Breguet, đặt dấu mốc cho sự ra đời chiếc trực thăng đầu tiên và cũng là chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới. Do khả năng ổn định chưa thực sự tốt, nó chỉ có thể bay gần mặt đất và phải được giữ bằng dây trong khi bay. [10][6][7] Vào năm 1920, Etienne Oehmichen đã thử nghiệm thành công nhiều lần chiếc Oehmichen No.2 do ống thiết kế và chế tạo. Chiếc máy bay có khả năng ổn định khá tốt và có thể cất cánh khỏi mặt đất tới vài phút.
Chiếc máy bay có kết cấu là các ống thép, với các cánh quạt có thể thay đổi góc tấn. 9 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Vào năm 1922, Chiếc Flying Octopus (Bạch tuộc bay) được chế tạo bởi Georges de Bothezat đã bay thử nghiệm nhiều lần thành công. Tuy nhiên, do chi phí chế tạo đắt đỏ và không gây được nhiều sự chú ý, dự án đã bị hủy bỏ.4 Flying Octopus 10 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Vài thập kỉ sau đó, tiếp nối sau những thành công của những kĩ sư tiên phong, những nhà thiết kế, những kĩ sư bấy giờ đã tìm thấy niềm cảm hứng và quay trở lại với ý tưởng về mô hình chiếc máy bay bốn cánh quạt. Với sự hiểu biết sâu sắc hơn về hệ thống điều khiển, họ đã thiết kế và thử nghiệm thành công nhiều mô hình quadrotor khác nhau.
Chiếc Convertawings Model A được thiết kế để thử nghiệm trước khi sản xuất dòng máy bay cỡ lớn phục vụ trong cả dân sự và quân sự. Chiếc máy bay gồm hai động cơ dẫn động bốn rotor thông qua bộ truyền đai. Trong năm 1956, với việc bay thử nghiệm thành công nhiều lần, nó đã chứng minh cho tính khả thi của mô hình quadrotor. Đồng thời, đây là chiếc quadrotor đầu tiên có khả năng bay tiến về phía trước.
Tuy nhiên, cũng vì lí do kinh phí, dự án đã bị ngừng lại. Trong năm 1958, chiếc Curtiss-Wright VZ-7 được thiết kế bởi công ty Curtiss-Wright theo đơn đặt hang của quân đội Mỹ. Chiếc máy bay được đánh giá có khả năng di chuyển linh hoạt và dễ điều khiển. Tuy nhiên, do không đáp ứng được một số tiêu chuẩn của quân đội, phải đến năm 1960 chiếc máy bay mới được đưa vào sản xuất.
Tháng 11 năm 1963, chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của chiếc Curtiss X-19 diễn ra. Mẫu thiết kế sử dụng bốn động cơ cánh quạt phản lực, được thiết kế để xoay hướng khi máy bay chuyển qua lại giữa chế độ cất/hạ cánh thẳng đứng và chế độ bay bằng. Do chất lượng hệ thống điều khiển còn hạn chế, chiếc X-19 đã không thể thực hiện được thao tác này. Đồng thời, chiếc máy bay khó điều khiển trong quá trình bay treo bởi các ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất chưa được tính đến.
Trong chuyến bay đầu tiên vào năm 1966, chiếc Bell X-22 đã lập tức đạt được thành công trong việc chuyển từ chế độ bay treo sang bay bằng. Chiếc máy bay sử dụng các động cơ đặt trong ống. Tuy nhiên, tốc độ của máy bay khi bay bằng bị ảnh hưởng bởi lực cản sinh ra do đường kính lớn của các ống, dẫn đến tốc độ của máy bay thấp.5 Convertawings Model A 11 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 HÌNH 1.6 Curtiss-Wright VZ-7 HÌNH 1.8 Bell X-22 12 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail. Đóng góp của đề tài nghiên cứu Trên thế giới, xự xuất hiện của quadrotor đã trở nên khá phổ biến.
Việc nghiên cứu về loại máy bay này cũng thu hút được sự quan tâm rộng rãi của giới nghiên cứu trên toàn thế giới do những ưu điểm vượt trội của nó. Tại nhiều phòng thí nghiệm, người ta không ngưng đưa ra các giải pháp để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống, cũng như tìm ra các phương pháp mô hình hóa chính xác hơn để đưa ra kết quả mô phỏng gần hơn với thực tế. Trong thời gian gần đây, quadrotor cũng dần được biết đến nhiều hơn trong nước, nhưng phạm vi ứng dụng và mức độ phổ biến vẫn còn hạn chế. thực nghiệm này được thực hiện với mục đích tiếp cận việc thiết kế quadrotor một cách có hệ thống trên các cơ sở khoa học, nhằm tạo tiền đề cho các phát triển xa hơn đối với loại máy bay này trong tương lai.
thực nghiệm đưa ra phương pháp mô hình tuyến tính hóa cho quadrotor, đồng thời trình bày các thí nghiệm để thu được các tham số cần thiết cho việc mô phỏng. Tiếp theo đó, phương pháp tiến hành thiết kế bộ điều khiển thông qua công cụ MATLAB- Simulink được trình bày. Sau khi chế tạo mô hình thực tế, các vấn đề thực tiễn gặp phải trong quá trình áp dụng các thuật toán vào vi điều khiển sẽ lần lượt được nêu ra và giải quyết. 13 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.
Tóm tắt nội dung chính của thực nghiệm 1 3 THIẾẾT KẾẾ CƠ KHÍ THIẾẾT KẾẾ BỘ ĐIẾỀU KHIỂN (BĐK) CÁC THÔNG SÔẾ QUÁN TÍNH ỔN ĐỊNH GÓC ROLL ĐÁNH GIÁ CHẤẾT LƯỢNG BĐK 2 MÔ HÌNH HÓA quadrotor ỔN ĐỊNH GÓC PITCH CÁC QUI ƯỚC VÀ GIẢ THIẾẾT ĐÁNH GIÁ CHẤẾT LƯỢNG BĐK PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC PHƯƠNG TRÌNH 4 TUYẾẾN TÍNH HÓA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ VẤẾN ĐẾỀ VẾỀ NHIẾỄU CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM TRUYẾỀN DÒ PID THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ 14 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail. Thiết kế quadrotor 2. Thiết kế cơ khí 15 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 16 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 video-1650362733.com/drive/u/0/folders/14emzgra6spOsbQo796Q6Rs- Wq2HYvgyo 17 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 HÌNH 2.