Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÒNG LẶP KÉP
CHO HỆ QUADROTOR UAV
Nguyễn Đức Minh
Trường Đại học Thủy lợi, email: minhnd@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU Việc bay lên, xuống, sang phải, sang trái
hay tăng giảm tốc độ bay đều phụ thuộc vào
Gần đây thiết bị bay không người lái UAV việc thay đổi tốc độ hoặc chiều quay của 4
(Unmanned Aerial Vehicles) được nghiên động cơ nói trên.
cứu và sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như
quốc phòng, quân sự và dân sự. UAV có thể
có nhiều hình dạng, kích thước và phục vụ
nhiều mục đích khác nhau.
Ban đầu, chúng được dùng chủ yếu cho
mục đích quân sự, như bay trinh sát với khả
năng chụp không ảnh, truyền hình ảnh về căn
cứ chỉ huy, hay tìm diệt những mục tiêu khó
tiếp cận bằng vũ khí mang theo. Dần dần
Hình 1. Cấu trúc của Quadrotor.
UAV ngày càng được sử dụng sâu rộng cho
mục đích dân sự, từ việc đáp ứng thú chơi Trong đó x, y, z là tọa độ trọng tâm của
tiêu khiển của người dùng, cho đến giao hàng quadrotor so với khung tọa độ gốc. Roll, Pitch
hóa, rải phân, tưới cây chăm sóc mùa màng, và Yaw là góc quay Euler biểu diễn hướng
theo dõi đàn gia súc, giám sát rừng, vườn thú của vật thể lần lượt được kí hiệu là ϕ, θ và ψ,
hoang dã, quay phim, chụp ảnh từ trên cao, và , , , là tín hiệu tốc độ của motor.
1 2 3 4
cứu hộ cứu nạn những nơi hiểm trở…
2.2. Mô hình động học của quadrotor
Trong bài báo này, so với các phương
pháp điều khiển hiện nay, tác giả đề xuất x (sin sin cos sin cos ) U1
phương án mới với 2 vòng điều khiển bao m
gồm vòng ngoài là vòng điều khiển vị trí, U1
vòng trong là vòng điều khiển góc quay. Với y ( cos sin sin sin cos ) m
U1
đề xuất này chất lượng điều khiển đã được z g (cos cos )
nâng lên đáng kể, kết quả thực nghiệm cũng m
I Iz JTP U2
cho thấy đề xuất trên là hoàn toàn khả thi. p y qr q (1)
Ix Ix Ix
I I J U
2. CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC q z x pr TP p 3
CỦA QUADROTOR Iy Iy Iy
r I x I y pq U 4
2.1. Mô hình của Quadrotor Iz Iz
Quadrotor là mô hình máy bay không Trong đó m is the trọng lượng của
người lái với 4 động cơ được gắn cánh quạt quadrotor, g là gia tốc trọng trường, JTP là mô
bố trí đều nhau tại 4 góc như Hình 1. men nội của rotor.
558
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 4.2. Kết quả mô phỏng
VÒNG LẶP KÉP
Giả thiết ta cho hệ MAV bay từ gốc hệ
Bộ PID kinh điển có cấu trúc như sau: trục tọa độ mặt đất E có tọa độ là O(0, 0, 0)
K tới vị trí có tọa độ là A(0.1, 0.1, 1), và 3 góc
u ( s ) ( K p i sK d )e( s ) (2) xoay với giá trị ban đầu lần lượt là ϕ = 0rad,
s
Trong đó e là sai lệch giữa tín hiệu vào và θ = 0rad, ψ = 0rad.
tín hiệu ra, u là tín hiệu điều khiển, Kp, Ki, Kd Bỏ qua tác động nhiễu của các cảm biến,
lần lượt là các hệ số của khâu khuếch đại, sử dụng Simulink để mô phỏng cho MAV
khâu tích phân và khâu vi phân . trong trường hợp lí tưởng với bộ điều khiển
Hệ thống điều khiển quadrotor bao gồm 2 PID vòng lặp kép. Sau nhiều lần thử, các
vòng lặp điều khiển đó là vòng lặp điều khiển thông số điều khiển tối ưu được đưa ra trong
vị trí và vòng lặp điều khiển góc bay, hệ Bảng 1 như sau:
thống này được thiết kế theo sơ đồ sau. Bảng 1. Bảng thông số giá trị mô phỏng
hệ thống vòng lặp kép
Kp Ki Kd
Roll 0.7 0.0 0.12
Pitch 0.7 0.0 0.12
Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc bộ điều khiển
PID vòng lặp kép Yaw 0.06 0.01 0.2
X 0.08 0.001 0.41
4. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Y 0.08 0.001 0.41
4.1. Cấu trúc điều khiển Z 23.5 6.0 19.5
Trong phần này, bài báo trình bày về Kết quả mô phỏng đặc tính của vị trí x, y, z
phương pháp xây dựng bộ điểu khiển PID và các góc quay ϕ, θ, ψ của Quadrotor MAV
vòng lặp kép trên máy tính bằng phần mềm được thể hiện trong các hình vẽ sau đây:
Matlab với môi trường làm việc Simulink.
Out1 In1 Out1 PWM1
Input Out2 PWM2 Out1 In1
In2 Omega_i Omega_i P_V_A In1
Out3 PWM3 Out2 In2
Dynamics Selector Display
In3 Out4 PWM4
Control Motors
Out1 In1
Out2 In2
IMU
Hình 3. Cấu trúc mô phỏng
của bộ điều khiển PID vòng lặp kép Hình 5. Đặc tính ổn định của Roll
In1
Out1 1
In2 Out1
In3 Out2 2
Out1 In1
1 In1 Out2
In1
Out1 In4
Out2 In2 Out1 In1
Out2 In5 Out3 3
2 In2 Out3 In3 Out3
In2 In2 Out3
Position Control Transition In6
Out4 4
3 Attitude Control In7 Out4
In3
Invesion
Hình 4. Cấu trúc Control Module
của bộ PID vòng lặp kép Hình 6. Đặc tính ổn định của Pitch
559
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
phỏng trên máy tính đã chứng minh tính
đúng đắn và phù hợp của phương án thiết kế.
Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt
động ổn định, điều khiển dễ dàng trong môi
trường phòng thí nghiệm.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyen Duc Minh, Nguyen Trong Thang,
Yang Sheng Xuan, “The Quadrotor MAV
System using PID Control”, IEEE
Hình 7. Đặc tính ổn định của Yaw International Conference on Mechatronics
and Automation (ICMA), pp. 506-510, 2015.
5. KẾT LUẬN [2] Nguyen Duc Minh, Nguyen Trong Thang.
"The Quadrotor MAV system using a
Ưu điểm của phương pháp này là có thể double-loop PID control." International
điều khiển chính xác tọa độ bay của Journal of Advance and Apllied
quadrotor một cách dễ dàng. Kết quả mô Sciences 2.12 (2016): 57-61. (ISI, ESCI).
560
nguon tai.lieu . vn
