Lí thuyết điều khiển nâng cao - Đề tài: Quadrotor

LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO
Đề tài: QUADROTOR
Nhóm 7 _ lớp DD09KSTN
Nội dung báo cáo:
Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của Quadrotor
Cấu tạo của Quadrotor
Nguyên lí hoạt động
Phương trình trạng thái
Điều khiển
Ứng dụng và hướng phát triển
Đánh giá
Giới thiệu chung
Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa
học người Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo. Nó được mang tên là
“Breguet – Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầu  được đưa ra là  nó có thể  cất cánh
khỏi mặt đất với 1 phi công. Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánh
quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm
truyền động từ động cơ cho các cánh. Bộ khung của  chiếc quadrotor này làm từ các
ống thép. Tổng trọng lượng của nó vào khoảng 500kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên
diễn ra tại Douai- Pháp vào năm 1907. Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.
 Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh
quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy. Ban đầu, nó được gắn thêm một  khí
cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công
khi  cho  chiếc quadrotor  bay  mà  không  cần  sự  trợ  giúp  của  khí  cầu. Sau  đó,  nó
không bao giờ được sử dụng nữa .
 Từ đó, các cấu hình của quadrotor không còn được chú ý như trước. 
 Cho đến những năm 1980, quadrotor lại được quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng
mang tải cao và giá thành thấp.
Chiếc  Draganflyer  của  hãng  sáng  chế  Draganfly,  là  một  trong  những  chiếc
quadrotor  thương  mại  điều  khiển  bằng  sóng  radio  rất  nổi  tiếng.  Nó  được  trang  bị
một  bảng  mạch  điều  khiển  vị  trí.  Draganflyer  có  thể  rất  dễ  dàng  bay  so  với  một
chiếc  trực  thăng  thông  thường.  Khung  của  nó  làm  bằng ống  sợi  các-bon  có  trọng
lượng  nhẹ  nhưng  đủ  bền.  Draganflyer  sử  dụng  3  cảm  biến  góc  Gyro  để  giữ  thăng
bằng.  Ngày  nay,  rất  nhiều  nhà  nghiên  cứu  sử  dụng  Draganflyer  như  một  phương
tiện cơ bản phục vụ cho các công việc nghiên cứu.
 Ngày nay, việc nghiên cứu phát triển quadrotor được các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu chú trọng hơn. Đã có nhiều mô hình được thiết kế và được điều khiển bằng những phương pháp khác nhau bởi các trường đại học như:
Trường đại học Pennsylvania ứng dụng luật điều khiển PI:
Trường đại học British Columbia Vancouver, Canada:
Trường đại học Cornell
Cấu tạo
Quadrotor cấu tạo gồm 2 bộ phận chính: phần cứng và phần mềm điều khiển:
Phần cứng:
Bao gồm phần khung quadrotor cùng với cánh quạt, các cảm biến,
Số lượng
Bộ phận
1
Bộ khung giữa
4
Cánh tay quạt
4
Đế motor
4
Motor DC
4
Bộ dẫn động
2
Cánh quạt đẩy
2 
Cánh quạt kéo
Ngoài ra, quadrotor còn dùng các cảm biến về tốc độ, vị trí
Cảm biến quán tính (IMU):
Cảm biến vị trí (GPS):
Cảm biến xác định độ cao (MSL):
Sơ đồ khối cấu tạo:
Cấu tạo chi tiết:
Nguyên lí hoạt động
Quadrotor hoạt động dựa trên sự thay đổi tốc độ góc của 2 cánh quạt kéo và 2 cánh quạt đẩy, từ đó thay đổi độ xoay, nghiêng, lệch, làm thay đổi vị trí và tốc độ của quadrotor.
Các trạng thái hoạt động của quadrotor:
Thiết kế bộ điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống
Phương trình trạng thái:
Viết lại:
Mô hình điều khiển:
x,xdot
y,ydot
z,zdot
ϕ,ϕdot
θ,θdot
ψ,ψdot
QUAD ROTOR
xdot, xddot
ydot, yddot
zdot, zddot
ϕdot, ϕddot
θdot, θddot
ψdot, ψddot
1/s
System dynamics
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Motor dynamics
U1
U2
U3
U4
Feedback linearzation
Hồi tiếp
φreal
θreal
ψreal
Tuyến tính hóa:
xdot = x2; 
xddot = -1/m * (cos(x7)*sin(x9)*cos(x11) + sin(x7)*sin(x11)) * U1;
ydot = x4;
yddot = -1/m * (cos(x7)*sin(x9)*sin(x11) - sin(x7)*cos(x11)) * U1;
zdot = x6;
zddot = g - (1/m)*cos(x7)*cos(x9) * U1;
phidot = x8;
phiddot = x10*x12*(Iyy-Izz)/Ixx + Jr/Ixx*x10*omega + L/Ixx * U2;
thetadot = x10;
thetaddot = x8*x12*(Izz-Ixx)/Iyy - Jr/Iyy*x8*omega + L/Iyy * U3;
psidot = x12;
psiddot = x8*x10*(Ixx-Iyy)/Izz + U4/Izz;
Đặt biến:
x1 = x 
x2 = xdot 
x3 = y 
x4 = ydot 
x5 = z 
x6 = zdot 
x7 = ϕ
x8 = ϕdot
x9 = θ
x10 = θdot
x11 = ψ
x12 = ψdot
Mô phổng
Kết quả ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
Ứng dụng và hướng phát triển
Đời sống
+ Trò chơi, giải trí
+ Mang các thiết bị nghe nhìn phục vụ cho đời sống
+ Ứng dụng trong giao thông
Lĩnh vực nghiên cứu
Là một đề tài hấp dẫn đối với sinh viên của các trường đại học trên thế giới. Quadrotor ngày càng được phát triển toàn diện cả về phần cứng (hình dạng, kích thước) và phần điều khiển để ngày càng ổn định và hoàn thiện.
Lĩnh vực quân sự
Quadrotor tương lai sẽ dần dần thay thế trực thăng thông thường, là một sự lựa chọn hoàn thiện cho các thiết bị bay không người lái (UAV). Quadrotor có thể được thiết kế để có thể mang vũ khí chiến đâu hay các thiết bị điện tử khác phục vụ cho những mục đích khác nhau. Quadrotor có thể được thiết kế để làm nhiệm vụ tấn công, dò tìm, vận chuyển, .
Việt Nam và Quadrotor
Ngành Điều khiển tự động ở VN là một ngành khá mới mẻ nên việc nghiên cứu và ứng dụng về Quadrotor chưa được phổ biến. Nhưng đề tài về Quadrotor là một đề tài hấp dẫn đối với một số trường đại học và đã có nhiều nhóm sinh viên thành công trong việc thiết kế và điều khiển Quadrotor này. 
+ Thiết kế của nhóm sinh viên trường Đh Sư pham kĩ thuật TpHCM Nguyễn Hải Băng Tâm và Nguyễn Lê Nhật Thắng:
+ Thiết kế của nhóm sinh viên BK4U trường Đh Bách Khoa TpHCM
Tổng kết
 Với ưu điểm linh hoạt, ổn định, ứng dụng cao, Quadrotor là một lựa chọn tốt  cho các ứng dụng
của UAV so với một máy bay trực thăng thông thường. Quadrotor ngày càng được
ứng dụng rộng rãi mọi lĩnh vực quân sự cũng như dân sự. Nó đã mang lại cho các
nhà khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu.
Tuy  nhiên, ở  Việt  Nam, Quadrotor  thực  sự  là  một  thiết  bị  khá  mới  mẻ,  chưa được  quan  tâm  nhiều.  Một  số  người  yêu  thích  đã  cố  gắng nghiên cứu và chế tạo thử. Quadrotor cần được nghiên cứu có chiều sâu hơn ở Việt Nam.
 	..THE END.