Tổng hợp hệ thống điều khiển cho Quadrotor

Bài viết tập trung phát triển mô hình toán Quadrotor, thiết kế bộ điều khiển PID và LQR, tiến hành mô hình hóa và mô phỏng các bộ điều khiển trên Matlab/Simulink. Các kết quả mô phỏng được đưa ra để chứng minh tính hiệu quả của các bộ điều khiển.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp hệ thống điều khiển cho QuadrotorTỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUADROTOR Phùng Đình Kiên Email: kiensuong9614@gmail.com Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 07/05/2024 Ngày phản biện đánh giá: 14/11/2024 Ngày bài báo được duyệt đăng: 28/11/2024 DOI: 10.59266/houjs.2024.485 Tóm tắt: Quadrotor được ứng dụng nhiều trong giám sát núi lửa, cháy rừng, kiểm trađường dây điện, tìm kiếm người thất lạc, cứu hộ thiên tai,.... Quadrotor được trang bị bốnđộng cơ với 4 cánh quạt với mục đích điều khiển và ổn định chuyển động của quadrotor, điềunày làm cho mô hình động lực học của quadrotor phức tạp và có sự phi tuyến mạnh. Bài báotập trung phát triển mô hình toán quadrotor, thiết kế bộ điều khiển PID Yj LQR, tiến hành môhình hóa và mô phỏng các bộ điều khiển trên Matlab/Simulink. Các kết quả mô phỏng đượcđưa ra để chứng minh tính hiệu quả của các bộ điều khiển. Từ khóa: Tổng hợp hệ thống điều khiển, Quadrotor, UAV, LQR, PID. I. Đặt vấn đề PID và bộ điều khiển tối ưu toàn phương Hiện nay, trên thế giới, thiết bị bay tuyến tính LQR. Kết quả được mô phỏngkhông người lái (hay còn gọi là - UAV) ngày trên phần mềm Matlab/Simulink với cáccàng phát triển và được ứng dụng rộng rãi thông số của quadrotor bất kỳ, qua đó rút ratrong cả lĩnh vực quân sự và dân sự. Trong ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển.đó, loại Quadrotor đang được sử dụng phổ II. Cơ sở lý thuyếtthông hơn nhờ vào cấu trúc đơn giản, tínhđối xứng, dễ dàng thiết kế, điều khiển và có 2.1. Biến đổi mô hình toán củathể hoạt động linh hoạt trong khu vực nhỏ. quadrotorTuy nhiên, việc xây dựng một hệ thốngUAV hoàn chỉnh không đơn giản và tồn tạirất nhiều rủi ro như sai số về thiết kế các chitiết phần cứng, thuật toán hoạt động khôngổn định, trong quá trình hoạt động có thể gâyra những tai nạn ngoài ý muốn v.v. Việc thiếtkế một bộ điều khiển cho thiết bị là một vấnđề quan trọng hàng đầu. Trong thực tế có rất nhiều nghiên cứuvề bộ điều khiển cho quadrotor của nhiều tácgiả đưa ra. Trong bài báo này tác giả đi sâutổng hợp 2 bộ điều khiển là: bộ điều khiển Hình 1. Hệ tọa độ đối với Quadrotor Khoa Vô tuyến điện tử, Trường Sĩ quan Không quân Mô hình toán của quadrotor dạng phi tuyến:[2][6] (1) Nhiệm vụ của bộ điều khiển là điềuchỉnh tọa độ vị trí (x , y , z ) và trạng (3)thái (Φ , θ , Ψ ) ban đầu của quadrotorvề tọa độ vị trí (x d , yd , z d ) và trạng thái(Φ d , θd , Ψ d ) mong muốn. Như vậy, việc Đối với kênh điều khiển góc chúcổn định quỹ đạo của quadrotor sẽ được ngóc θ, ta cũng có hệ phương trình độngthực hiện thông qua 6 kênh điều khiển đó học tương ứng:là: kênh x dọc trục ox, kênh y dọc trục oy,kênh độ cao z dọc trục oz, kênh Φ , kênh (4)θ và kênh Ψ. r Gọi vectơ trạng thái của quadrotor r & & Đặt X = θvà X = θ , do đó X = θ &là X , X chứa 12 thành phần động học & = && . Đặt T = U Từ đó suy ra mô và X θcủa quadrotor theo thứ tự như sau: y 3 r & & & hình dạng truyền ngược chặt theo kênh θ là: X = X(Φ, Φ, θ, θ, Ψ, Ψ, z, z, x, x, y, y) & & & Để thực hiện điều khiển, ta phânchia trạng thái của quadrotor theo từng (5)kênh điều khiển tương ứng. Căn cứ vào hệphương trình (1) và vectơ trạng thái ta Đối với kênh điều khiển góc chúcthành lập các phương trình động học tương hướng Ψ, ta cũng có hệ phương trình độngứng với từng kênh điều khiển như sau. học tương ứng: Đối với kênh điều khiển góc nghiêngΦ, ta có hệ phương trình động học tương (6)ứng như sau: & Đặt X = Ψ và X = Ψ , do đó (2) X = Ψ và X = Ψ . Đặt Tz = U Từ đó & & & && suy ra mô hình dạng truyền ngược chặt theo kênh Ψ: Đặt X = Φ và X = Φ , do đó & & & X = Φ và X = Φ . Đặt Tx = U 2 Từ đó & &&suy ra mô hình dạng truyền ngược chặt (7)theo kênh Φ là: Đối với kênh z, ta có hệ phương Đặt X = x và X = x , do đó &trình động học: & & X = z và X = && . Từ đó suy ra mô hình & x dạng truyền ngược chặt theo kênh x là: (8) & (11) Đặt X = z và X ...