Thiết kế bộ điều khiển PID vòng lặp kép cho hệ quadrotor UAV

Bài viết Thiết kế bộ điều khiển pid vòng lặp kép cho hệ quadrotor UAV trình bày việc đề xuất phương án mới với 2 vòng điều khiển bao gồm vòng ngoài là vòng điều khiển vị trí, vòng trong là vòng điều khiển góc quay. Với đề xuất này chất lượng điều khiển đã được nâng lên đáng kể, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy đề xuất trên là hoàn toàn khả thi.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ điều khiển PID vòng lặp kép cho hệ quadrotor UAV 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 ...