BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG   TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BAY QUADROTOR Chủ nhiệm đề tài: KS.Nguyễn Thanh Sơn TP.HCM, Tháng 9, Năm 2013 1 MỤC LỤC B GIAO THÔNG V N T IỘ Ậ Ả 1  1 1 1 TÓM T TẮ 1 TÀI NGHIÊN C U KHOA H CĐỀ Ứ Ọ 1 C P TR NGẤ ƯỜ 1 Nguyên lý ho t ng:ạ độ 17 2.1.2.1. H quy chi u quán tínhệ ế 17 2.1.2.2. H t a v t thệ ọ độ ậ ể 18 2.1.2.3. H t a v t th - 1ệ ọ độ ậ ể 18 2.1.2.4. H t a v t th -ệ ọ độ ậ ể 19 2.1.2.5. H t a thân Fbệ ọ độ 20 2.1.3 ng h c và ng l c h c quadrotorĐộ ọ độ ự ọ 20 2.1.3.1. Các bi n tr ng thái c a Quadrotor.ế ạ ủ 20 2.1.3.2. ng h c QuadrotorĐộ ọ 22 2.1.3.3. ng l c h c QuadrotorĐộ ự ọ 23 2.1.3.4.L c và momentự 26 2.1.3.5. Các ph ng trình mô ph ng n gi n ươ ỏ đơ ả để thi t k i u khi nế ếđ ề ể 29 2.2. Mô ph ng ng l c h c Quadrotorỏ độ ự ọ 31 2.2.1 Ph ng pháp mô ph ng bài toán c h c sươ ỏ ơ ọ ử d ng công c S – Function trong Matlab-Simulinkụ ụ 33 2 2.2.1.1. Gi i thi u S-functionớ ệ 33 2.2.1.2. Các b c mô ph ng v i m t bài toánướ ỏ ớ ộ 33 2.2.2 Mô ph ng ng l c h c, xây d ng b i uỏ độ ự ọ ự ộ đ ề khi n cho Quadrotorể 33 3.1 Mô hình thi t k 3Dế ế 36 3.1.1 Gia công các chi ti t và l p ghépế ắ 37 3.1.1.1.Cánh tay 38 3.1.1.2.T m n i trung tâmấ ố 38 3.1.1.3.T m gá m chấ ạ 38 3.1.1.4.Chân 38 3.1.1.5.B c ch nạ ặ 38 3.1.1.6.M t s i m c n l u ý trong ph n nàyộ ốđ ể ầ ư ầ 38 3.2 Thi t k h i u khi n QUAROTORế ế ệđ ề ể 39 3.2.1 Sensor GYROSCOPE 39 3.2.2 M ch i u khi nạ đ ề ể 40 3.2.3 Module i u khi n t xa RC (Radio Control)đ ề ể ừ 44 3.2.4 H th ng ph n c ngệ ố ầ ứ 45 3.2.5 Thu t toán i u khi nậ đ ề ể 47 3.3 Th nghi m và ánh giáử ệ đ 48 K T LU NẾ Ậ 50 DANH M C TÀI LI U THAM KH OỤ Ệ Ả 51 PH L CỤ Ụ 52 Code mô ph ng ch ng trình matlabỏ ươ 52 3.CODE CH NG TRÌNH I U KHI NƯƠ ĐỀ Ể 57 DANH MỤC HÌNH 3 4 MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với những thành tựu đạt được trong các lĩnh vực khoa học khác nhau, từ những kết quả nghiên cứu, ứng dụng vào trong cuộc sống hàng ngày của con người…, cho đến bước tiến vĩ đại của loài người trong việc chinh phục vũ trụ. Ngành Cơ điện tử đang ngày càng chứng tỏ là một trong những ngành công nghệ mũi nhọn mà các quốc gia trong đó có Việt Nam đang đẩy mạnh nghiên cứu phát triển. Tuy là ngành công nghệ có thời gian ra đời rất muộn so với những ngành khoa học khác, nhưng những sản phẩm Cơ điện tử đã có mặt hầu khắp thị trường công nghệ tiên tiến trên thế giới. Nó đã thể hiện các tính năng nổi trội, chất lượng ổn định, độ tin cậy cao và giá thành thì ngày càng thỏa mãn người tiêu dùng và các doanh nghiệp… Cùng với các sản phẩm là những thiết bị kĩ thuật và máy móc hiện đại, thì robot mới là sản phẩm đặc trưng nhất của ngành Cơ điện tử, nó thể hiện rõ nét các yếu tố liên kết hữu cơ với nhau: cơ học, cơ khí, điện tử và điều khiển, để tạo ra ngành Cơ điện tử. Việc ứng dụng các loại robot khác nhau trong sản xuất và sinh hoạt đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới. Bởi robot có thể làm việc thay thế con người trong môi trường khác nhau có thể gây nguy hiểm cho con người. Bên cạnh đó các thảm họa thiên nhiên môi trường đang hàng ngày đe dọa đến cuộc sống của con người: động đất, sóng thần, cháy rừng, ô nhiễm, phóng xạ… đã buộc con người phải tạo ra những thiết bị cảnh báo nguy cơ, đo đạc đất đai, trinh sát địa hình ghi số liệu , nhằm phục vụ không chỉ trong dân sinh mà cả trong lĩnh vực quốc phòng an ninh. Một trong những loại robot được quan tâm phát triển trong những năm gần đây là phương tiện bay ko người lái (UAV-Unmanned Aerial Vehicle ), đáp ứng một cách linh hoạt các yêu cầu của con người. Đã có rất nhiều các viện khoa học, trường đại học trên thế giới đã tham gia nghiên cứu và phát triển ứng loại robot này.Ở Việt Nam 1 số trường đại học như Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Viện Khoa học Công Nghê Bộ Quốc Phòng đã có những kết quả nghiên cứu khả quan bước đầu song còn nhiều khó khăn và còn là quãng đường dài để đi tới mộtsản phẩm hoàn chỉnh. Từ những điều nêu trên, người thực hiện xin chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo robot bay QUADROTOR” trong trường ĐH Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh 1. Mục đích nghiên cứu 5 -Nghiên cứu, tiếp cận từng bước và làm chủ công nghệ chế tạo robot bay. -Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên nghiên cứu và học tập. 2. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phương pháp luận cơ điện tử trong tính toán và thiết kế chế tạo robot. Ở phương pháp này việc thiết kế có xét đến tính liên ngành và tích hợp hệ thống, cụ thể: - Nghiên cứu các tài liệuvà thiết kế có sẵn trong và ngoài nước. - Tính toán thiết kế mô hình hóa, mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống và loại trừ các lỗi khi thiết kế. - Thiết kế mô hình tổng hợp dựa trên mô hình ảo, bao gồm: mô hình cơ khí, mô hình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến. - Thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh. 3. Phạm vi nghiên cứu Đề tài về quadrotor là 1 đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực: cơ khí,khí động học, điện tử, điều khiển… Người thực hiện đặt mục tiêu là giải quyết bài toán nguyên lý của quadrotor với những điều kiện như sau: - Nghiên cứu loại Multirotorcó 4 chong chóng(Quadrotor)công suất nhỏ, sử dụng động cơ không chổi than. - Sử dụng cảm biến vận tốc góc. - Hoạt động trong phòng thí nghiệm và ngoài trời. - Lực nâng tối đa robot 1.5kg. - Tập trung vào bài toán điều khiển thăng bằng. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn • Ý nghĩa khoa học Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu ứng dụng Quadrotor có tính phức tạp và hoàn thiện hơn. Đồng thời có thể áp dụng những kết quả nghiên cứu được, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài sau này •Ý nghĩa thực tiễn - Trang bị những camera độ phân giải cao với các ứng dụng quay phim chụp ảnh từ trên cao cho mục đích giám sát, thăm dò hay giải trí… - Tích hợp hệ thống GPS và giải quyết bài toán điều khiển vị trí để Quadrotor có thể bay tự động. 6 - Ngoài ra, tích hợp thêm các thiết bị phụ trợ cho từng loại nhiệm vụ như việc lắp thêm cảm biến siêu âm, cảm biến từ trường, cảm biến ảnh 3D… để tránh vật cản, xây dựng bản đồ, dò tìm mục tiêu… - Trong các ứng dụng quân sự có thể tích hợp thêm vũ khí để do thám hay tấn công mục tiêu. -Những ứng dụng thú vị trong phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm các lý thuyết hay thuật toán điều khiển mới. - Xa hơn, nó có thể mang lại ý tưởng cho phương tiện giao thông trong tương lai. 7 Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển các phương tiện bay không người lái 1.1.1Khái niệm về thiết bị bay không người lái _UAV Theo các chuyên gia hàng không, UAV đầu tiên có lẽ là chiếc Aerial Target của giáo sư người Anh tên là Archibald Montgomery Low sáng chế năm 1916, [3]. Theo đúng nghĩa thì Aerial Target là một chiếc máy bay điều khiển từ xa qua sóng radio giống như những món đồ chơi ngày nay. Trải qua Thế Chiến I và II, UAV được phát triển theo thời gian để đáp ứng những nhu cầu của quân đội. Tiêu biểu nhất cho thời điểm này là những chiếc được chế tạo để huấn luyện các tay súng phòng không. Sau thế chiến thứ II, động cơ phản lực được dùng cho những chiếc UAV như chiếc Teledyne Ryan Firebee I vào thập niên 1950. Với sự ra đời của máy tính nhanh hơn và nhỏ hơn trong thập niên 1980 và 1990, lịch sử hàng không đã chứng kiến sự biến đổi nhanh chưa từng có. Các UAV được trang bị hệ thống điều khiển để có thể hoàn toàn tự bay theo đường bay định trước nhờ vào hệ thống định vị vệ tinh (GPS). Thêm vào đó sự phát triển của kỹ nghệ vật liệu hợp chất (composite materials) như sợi carbon và polyme, UAV trở lên nhẹ nhàng hơn nhưng lại chuyên chở nhiều bộ phận với hệ thống cảm biến đa chức năng. Nhiều tính thực dụng như tiếp nhiên liệu trên không, tự động đáp, tự động tránh va chạm trên không, bay theo đội hình… không còn là độc quyền của máy bay có người lái. Cho nên những yếu tố quan trọng này giúp củng cố địa vị của UAV trong ngành hàng không không gian. Yếu tố không người lái giúp cho UAV được sản xuất rẻ hơn. Chính vì vậy mà UAV được dùng trong cả quốc phòng và dân sự, vấn đề phi hành đoàn không còn quan trọng làm cho chỉ số an toàn trong thiết kế không cần thiết phải cao như trường hợp máy bay có người lái. UAV có khả năng chứa nhiều nhiên liệu để có thể bay liên tục vài ngày liền mà không cần hạ cánh. Lợi điểm này giúp tiết kiệm chi 8 Hình 1.1. Máy bay không người lái Aerial phí hoạt động rất lớn trong việc trinh sát, cung cấp tình báo hay quan sát thảm họa do thiên nhiên gây ra. Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan chủ yếu đến các hoạt động quân sự như: hoạt động tình báo, do thám, trinh sát địa hình, xác định vị trí mục tiêu, dẫn đường cho các phương tiện bay khác, cũng như được sử dụng để tấn công mục tiêu Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ, Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga…, đã đầu tư hàng triệu đôla cho các công trình nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng dụng UAV trong dân sự cũng được quan tâm nhưquan sát núi lửa, điều tra môi trường, bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp… Vì vậy ngày càng có nhiều các ứng dụng thương mại được phát triển với UAV. Có thể thấy rõ điều này thông qua hệ thống cảm biến hiện đại như quang phổ điện từ, sinh học và hóa học. Các cảm biến quang phổ điện từ bao gồm đơn giản như máy quay phim, chụp hình cho đến tối tân hơn như cảm biến nhiệt qua tia hồng ngoại, radar. Cảm biến sinh học có khả năng phát hiện các vi sinh vật trong không khí. Cảm biến hóa học dùng laser spectroscopy để phân tích nồng độ các nguyên tố trong không khí. Ngoài chức năng cảm biến UAV còn được dùng trong những trường hợp nguy hiểm. Một thí dụ là chiếc Aerosonde cân nặng 16kg, thuộc công ty Aerosonde Pty Ltd, có thể bay cận bên cơn bão và truyền dữ liệu trực tiếp về Trung tâm Bão Quốc gia tại tiểu bang Florida, Hoa Kỳ. Aerosonde có thể bay và đo lường áp suất, nhiệt độ gần mặt nước biển, điều mà máy bay có người lái khó có thể làm một cách an toàn. Ngày nay, một số lượng lớn UAV đượcphát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu. Trong đó công nghệ chế tạo các UAV hiện đang là công nghệ hàng không hiện đại. Không chỉ phục vụ đắc lực cho hoạt động an ninh quốc phòng, mà còn phục vụ một cách hữu hiệu đời sống xã hội. Một thực tế là trên thế giới việc nghiên cứu và phát triển các UAV không chỉ nằm trong phạm vi công nghệ và ứng dụng, mà còn mở rộng sang phát triển chủng loại mô hình kết cấu, kích thước và hình dáng khí động lực học 9 Hình 1.2. UAV Aerosonde thu thập dữ liệu thời tiết của UAV, đồng thời còn xem xét đến các khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của mỗi loại mô hình thiết bị UAV đó. Do đó, theo một cách phân loại, mà các UAV có thể là nhóm phương tiện có khả năng bay lên thẳng hoặc thuộc nhóm phương tiện bay cánh bằng. Thông qua số lượng các UAV đang được nghiên cứu ứng dụng, cho thấy không thể phụ nhận khả năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so với mặt nước biển, hẹp về không gian, hoặc đòi hỏi phải ổn định vị trí trong thời gian nhất định, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các trạm điều khiển. Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng như các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, Quadrotor đều đã được phát triển từ lâu. Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định. 1.1.2Phương tiện bay nhiều chong chóng và Quadrotor Chiếc Muticopter 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 [6]. Nó được mang tên là “Breguet – Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầuđược đưa lànó có thểcất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công. Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánhquạt. 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 củachiếc 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. Hình 1.3. Breguet- Richet Gyroplane Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc Multicopter với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy.Ban đầu, nó được gắn thêm mộtkhí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy 10 Hình 1. 4. Breguet- Richet Gyroplane [...]... Giới thiệu Quadrotor Phương tiện bay không người lái Quadrotor hay còn gọi là robot bay kiểu Quadrotor (gọi tắt Quadrotor) là thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng, có bốn cánh quạt nằm trong cùng một mặt phẳng và được gắn lên bốn động cơ được đặt đối xứng qua tâm của một khung hình chữ thập Hình dáng hình học và quá trình hoạt động của Quadrotor được mô tả như hình dưới đây: Hình 2 1 Cấu tạo mô hình... nhà khoa học thêm nhiều lựa chọn cho công việc nghiên cứu 1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu đề tài 1.2.1 Nhiệm vụ -Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Quadrotor 14 -Xây dựng mô hình toán học của Quadrotor -Xây dựng thuật toán điều khiển Quadrotor -Mô phỏng mô hình Quadrotor và sử dụng Matlab - Thi công mô hình Quadrotor 1.2.2 Mục tiêu - Mô tả được mô hình toán học Quadrotor - Xây dựng thuật toán điều khiển -... ẩn trong quá trình tạo ra dữ liệu dạy có giá trị, tốc độ xử lí của vi điều khiển và tốc độ trao đổi dữ liêu như giới hạn của dải lấy mẫu từ cảm biến và các tín hiệu điều khiển Công việc nghiên cứu đã được quan tâm từ lâu bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới đã chứng tỏ rằng Quadrotor là một lựa chọn tốtcho các ứng dụng của UAV so với một máy bay trực thăng thông thường Quadrotor ngày càng... mô hình và hoạt động của Quadrotor Quadrotor có nhiều kích cỡ trong thực tế, nó có thể có kích cỡ lớn để chở người và hàng hóa, và kích cỡ nhỏ để hoạt động trong những phạm vi nhỏ hẹp ngay cả trong nhà Vì có nhiều ứng dụng cho nên Quadrotor có nhiều hình dáng và tính năng khác nhau phục vụ cho việc nghiên cứu những ứng dụng đó 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo: Thân robot thường có dạng chữ... trong hình 1.8, được thiết kế và chế tạo tại Đại học Quốc gia Úc nhằm cho sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng Nó được thiết kế như một ứng dụng trong nhà Hình 1 8 X4- flyer Mark II Một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford [10], với hệ thống kiểm tra tĩnh cho quá trình điều khiển đa trạm (STARMAC), đã sử dụng Quadrotor như một thiết bị cơ bản để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm... đã nghiên cứu tích hợp đồng thời bộ điều khiển dự đoán mô phỏng và bộ điều khiển 2 bậc tự do cho Quadrotor Erdinc Altu [12] đã phát triển bộ điều khiển 2 vị trí cho Quadrotor Nó cơ bản bao gồmđiều khiển phản hồi tuyến tính và bộ điều khiển bước lùi Hệ thống phản hồi trực tiếp đã được sử dụng để đo vị trí của quadrotor Và đặc biệt, J Dunfied [13] đã xây dựng bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo Quá trình nghiên. .. theo phương vecto =vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính theo vecto ii ji h = độ cao của Quadrotor trong hệ hệ quy chiếu quán tính vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên ib của Fb vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên jb của Fb = vận tốc dài của thân Quadrotor đo trên kb của Fb = góc quay theo trục Roll của Quadrotor trong Fv2 = góc quay theo trục Pitch của Quadrotor trong Fv1 = góc quay... mặt đất Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trình Labview nhằm kết nối trực tiếp Quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phân tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc Quadrotor Hình 1 9 STARMAC Scott D Hanford [5] đã cố gắng chế tạo mộthệ thống kiểm tra trạng thái tĩnh giá rẻ cho Quadrotor. Hệ thống bao gồm các gyro tương tự, một accelerometer và vi điều khiển PIC Một bộ điều khiển... dĩ có cấu tạo như vậy là nhằm mục đích chống xoay thân khi cánh quay Nguyên lý hoạt động: Để điều khiển được hoạt động của robot bay ta phải điều khiển tỉ lệ tốc độ tương ứng giữa 4 cánh quạt Trong đó, để điều khiển bay lên thì 4 cánh quạt phải quay cùng tốc độ, 2 cánh đối diện của Quadrotor quay cùng chiều với nhau và ngược với 2 cánh còn lại Điều này rất quan trọng vì nó sẽ không làm cho Quadrotor. .. trọng tâm của Quadrotor, i b chỉ về đầu Quadrotor, jb hướng về cánh phải và kbhướng vuông góc với thân Từ Fv2 chuyển đổi qua Fb, ta có ma trận quay Pb = , Trong đó Quá trình chuyển từ hệ tọa độ vật thể sang hệđộ thân cho ta ma trận quay 2.1.3 Động học và động lực học quadrotor 2.1.3.1 Các biến trạng thái của Quadrotor Các giá trị trạng thái của Quadrotor bao gồm 12 giá trị sau: 20 = vị trí của Quadrotor . tài Nghiên cứu và chế tạo robot bay QUADROTOR trong trường ĐH Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh 1. Mục đích nghiên cứu 5 -Nghiên cứu, tiếp cận từng bước và làm chủ công nghệ chế tạo robot bay. -Làm. TẢI TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG   TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BAY QUADROTOR Chủ nhiệm đề tài: KS.Nguyễn Thanh Sơn TP.HCM, Tháng 9, Năm. ĐIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu Quadrotor Phương tiện bay không người lái Quadrotor hay còn gọi là robot bay kiểu Quadrotor (gọi tắt Quadrotor) là thiết bị bay thuộc kiểu máy bay lên thẳng, có bốn cánh