Một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho quadrotor

Bài viết trình bày một thuật toán thiết kế kết hợp bộ điều khiển Backstepping - trượt - thích nghi cho đối tượng phi tuyến mạnh. Bộ điều khiển được áp dụng cho mô hình dạng truyền ngược chặt của quadrotor. Các kết quả mô phỏng cho thấy ưu điểm của thuật toán đề xuất ngay cả khi có nhiễu loạn và độ không ổn định tham số.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho quadrotor Nghiên cứu khoa học công nghệ MỘT PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO QUADROTOR Vũ Hoàng Sơn1, Nguyễn Đức Việt2,3*, Lê Ngọc Giang3, Nguyễn Văn Tiến4, Bùi Hải Đăng5 Tóm tắt: Bài báo trình bày một thuật toán thiết kế kết hợp bộ điều khiển Backstepping - trượt - thích nghi cho đối tượng phi tuyến mạnh. Bộ điều khiển được áp dụng cho mô hình dạng truyền ngược chặt của quadrotor. Các kết quả mô phỏng cho thấy ưu điểm của thuật toán đề xuất ngay cả khi có nhiễu loạn và độ không ổn định tham số. Từ khóa: Quadrotor; Điều khiển backstepping; Điều khiển trượt. 1. MỞ ĐẦU Trong thực tế luật điều khiển trượt cần tính tới các thành phần bất định như nhiễu hệ thống. Luật điều khiển trượt có tính đến các thành phần bất định gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển phụ thuộc vào mô hình danh định của hệ thống còn gọi là thành phần điều khiển tương đương. Thành phần điều khiển bền vững, còn gọi là thành phần điều khiển hiệu chỉnh có tác dụng bù cho các thành phần bất định của hệ thống và có giá trị phụ thuộc vào các chặn trên của các thành phần bất định của hệ thống. Như vậy, để tính toán thành phần điều khiển tương đương của điều khiển trượt đòi hỏi phải biết đầy đủ các hàm danh định của đối tượng; để tính toán thành phần điều khiển bền vững cần phải biết các chặn trên của hệ thống và nhiễu. Việc nghiên cứu giảm hiệu ứng rung trong hệ điều khiển trượt mang một ý nghĩa ứng dụng vô cùng quan trọng. Trong bài báo, tác giả không dùng phương pháp điều khiển trượt thông thường mà kết hợp phương pháp Backstepping - trượt - thích nghi cho quadrotor. Hàm tự chỉnh thích nghi có thể ước lượng các yếu tố bất định, đảm bảo điều khiển bền vững mà không cần phải biết các chặn trên của hệ thống và nhiễu. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUADROTOR 2.1. Mô hình toán học của quadrotor 2.1.1. Mô hình toán học của quadrotor khi chưa tính đến các yếu tố bất định Để thành lập mô hình toán học cho quadrotor, ta cần xét một số hệ quy chiếu có liên quan như hình 1. Trong đó Oxyz, Bxyz lần lượt là hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu liên hệ được gắn chặt với quadrotor tương ứng với khung cố định của nó. Gọi 3 góc quay Ơle của quadrotor xung quanh 3 trục tương ứng như hình vẽ là góc nghiêng Φ, góc chúc ngóc θ và góc hướng Ψ. Còn F1, F2, F3, F4 lần lượt là lực đẩy gây ra bởi 4 cánh quạt. Để phân tích động lực học của quadrotor, ta xem nó như một vật rắn cứng tuyệt đối chuyển động tự do trong không gian. Từ đó, ta phân chia chuyển động của quadrotor thành 2 thành phần là chuyển động tịnh tiến của khối tâm và chuyển động quay của quadrotor xung quanh 3 trục của nó. Chuyển động tịnh tiến do các thành phần lực kéo và lực nâng gây ra, còn chuyển động quay quanh trục do các mômen lực gây ra. Để thuận tiện và đơn giản khi xét tính chất động lực học của quadrotor, ta không xét đến phần động cơ một chiều kéo quay cánh quạt và tín hiệu điều khiển của hệ thống được quy về lực cũng như mô men lực cần tạo ra. Do đó, nguyên lý điều khiển quadrotor như Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 129  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử  sau: Chuyển động của nó được điều khiển thông qua 4 thành phần là tổng lực F dọc trục    Bz; mômen lực Tx trên trục Bx; mômen lực Ty trên trục By; mômen lực Tz trên trục Bz; lực tổng hợp FL. Hình 1. Các hệ quy chiếu gắn với quadrotor. Với giả thiết các góc quay Euler nhỏ và ảnh hưởng ít đến chuyển động quay của quadrotor, đồng thời bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng con quay tác động lên nó gây ra bởi bốn động cơ cánh quạt, ta được mô hình động học phi tuyến đầy đủ như sau: J J    yy zz  Tx    J xx J xx T      J zz  J xx  y J yy J yy   Tz  (1) J zz 1  x   cossincos  sinsin   FL  m 1  y   cossinsin  sincos   FL  m 1 z  g  coscos  FL  m Với m là khối lượng; g là gia tốc trọng trường; Jxx, Jyy, Jzz là mô men quán tính trên các trục của quadrotor 2.1.2. Mô hình toán học của quadrotor khi tính đến các yếu tố bất định Hệ phương trình (1) là kết quả tính toán sau khi đã áp dụng một vài giả thiết nhằm đơn giản hóa như: Xem góc nghiêng Φ và góc chúc ngóc θ là hai góc vận động nhỏ, loại bỏ ảnh hưởng của mômen con quay lên kênh Φ. Thực tế mô hình toán phức tạp hơn nhiều với sự liên hệ chéo giữa các kênh Φ, θ và Ψ. Ngoài ra còn có thêm thành phần mômen con quay. Ta coi góc hướng Ψ đã trùng với hướng di chuyển. Do vậy mô hình toán thực tế của đối tượng sẽ chứa các thành phần bất định: 130 V. H. Sơn, …, B. H. Đăng, “Một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển … cho quadrotor.” Nghiên cứu khoa học công nghệ J J    yy zz  ...