Xây dựng mô hình điều khiển chuyển động dạng Affine cho o UAV Tri-rotors

Bài viết phân tích và biến đổi mô hình động học Tri-rotors để xây dựng mô hình điều khiển dưới dạng affine, từ đó thuận lợi hơn cho việc áp dụng các công cụ điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán điều khiển bay cho UAV Tri-rotors.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng mô hình điều khiển chuyển động dạng Affine cho o UAV Tri-rotors Tên lửa & Thiết bị bay XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DẠNG AFFINE CHO UAV TRI-ROTORS Đặng Văn Thành*, Trần Đức Thuận Tóm tắt: Bài báo phân tích và biến đổi mô hình động học Tri-rotors để xây dựng mô hình điều khiển dưới dạng affine, từ đó thuận lợi hơn cho việc áp dụng các công cụ điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán điều khiển bay cho UAV Tri-rotors. Từ kết quả trên, đề xuất một mô hình động học của UAV Tri-rotors, sử dụng công cụ Matlab-simulink để mô phỏng trạng thái ổn định động của UAV Tri-rotors trong không gian để khẳng định tính đúng đắn của mô hình đã xây dựng. Từ khóa: Tri-rotor; UAV; Góc nghiêng; Góc chúc; Góc hướng; affine; Động lực học. 1. MỞ ĐẦU Máy bay không người lái UAV dạng Tri-rotors là một chủng loại UAV có cấu tạo đơn giản, xong điều khiển nó lại có tính phức tạp hơn so với các chủng loại UAV khác. Đối với các chủng loại UAV khác đã có nhiều công trình nghiên cứu tương đối chi tiết, còn đối với Tri-rotors còn chưa được nghiên cứu chi tiết ở Việt Nam. Các công trình [1-3] đã xây dựng mô hình động học cho chuyển động của Tri-rotors. Để xây dựng được các thuật toán điều khiển, cần tiếp tục phân tích và biến đổi mô hình động học của Tri-rotors về các dạng phù hợp để áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Vấn đề này sẽ được trình bày trong bài báo. Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ cụ thể hóa mô hình động học của các tác giả [1] thành mô hình một hệ thống điều khiển, phân định rõ véc tơ hàm trạng thái và véc tơ tín hiệu điều khiển, chỉ rõ ma trận hệ số điều khiển. Từ đó, đưa đối tượng điều khiển Tri-rotors về dạng affine, giúp cho việc tổng hợp luật điều khiển được thực hiện thuận lợi hơn. Đây là điểm khác biệt với các công trình đã công bố. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TRI-ROTORS Hình 1 đến hình 3 mô tả UAV dạng Tri-rotors và các hệ tọa độ dùng để khảo sát chuyển động của nó trong không gian. Hình 1. Mô hình của Hình 2. Hệ tọa độ sử dụng Hình 3. Góc nghiêng Tri-rotors. trong mô hình toán UAV. động cơ cánh quạt. Trong [1, 3] đã xây dựng mô hình động học mô tả chuyển động cho tri-rotors với các tham số đặc trưng sau: u   p   x     v  ;    q  ;     ;    y        (1)  w   r     z  Trong đó:  là véc tơ vận tốc tâm khối Tri-rotors trong hệ tọa độ mặt đất;  là véc tơ 16 Đ. V. Thành, T. Đ. Thuận, “Xây dựng mô hình điều khiển chuyển động … UAV Tri-rotors.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tốc độ quay của Tri-rotors với các thành phần p, q, r ;  ,  ,  là ba góc tư thế của Tri- rotors so với hệ tọa độ mặt đất; x , y , z là tọa độ tâm khối Tri-rotors trong hệ tọa độ mặt đất. Trên Tri-rotors có thể được thiết kế và chế tạo các cơ cấu cơ điện để thay đổi các góc  i ( i  1, 2, 3 ) là ba góc nghiêng của động cơ cánh quạt trong mặt phẳng vuông góc với trục cánh quạt (có ba động cơ điện để thay đổi các góc). Hệ phương trình mô tả chuyển động tâm khối và chuyển động quay của Tri-rotors như sau:    (2)   R (3) Ở đây,  và R là các ma trận xác định như sau: sin( )cos ( ) sin( ) sin( ) cos( )  1   -cos( ) sin( ) cos( )cos ( ) 0  (4) cos( )   cos ( ) sin( ) 0   c( )c( ) c( )s ( )  s ( )   R  c( )s( )+c( ) s ( )s( ) c( )c( )  s( )s( ) s ( )  c( )s ( )  (5) s( )s ( )-c( )c( ) s( ) c( )s( )+c( )s( ) s ( ) c( )c( )  Hệ phương trình mô tả sự thay đổi véc tơ vận tốc tâm khối Tri-rotors: [rv  qw  g s( ) s( )  gc( )c( )s( )      k f 3 ( 2 s ( )   2 s ( ))]   2m 2 2 3 3    [ pw  ru  gc( ) s ( )  gc( ) s ( ) s ( )  u  (6)   v    k f 2 22 s( 2 ) 32 s( 3 )      m 1  w ( s ( 1 )   ]  2 2  [qu  pv  gc( )c( )     kf 2 2 2    m (1 c(1 )  2 c( 2 )  3 c( 3 ))]  Hệ phương trình mô tả sự thay đổi véc tơ vận tốc quay của Tri-rotors:  I 2  I3 k 3 2  [ qr  t (2 s ( 2 )  32 s ( 3 ))   I1 2 ...