HUTECHBăGIÁOăDCăVĨăĨOăTO
TRNGăIăHCăKăTHUTăCỌNGăNGHăTP.HCM PHMăQUCăPHNG NGHIểNăCUăNGăDNGăMỌăHỊNHă
QUADROTORăTRONGăGIÁMăSÁTăVĨăCUăHă

LUNăVNăTHCăS
CHUYểNăNGĨNH:ăăTHITăB,ăMNGăVĨăNHĨăMÁYăIN
MẩăSă:ăăă60.52.50


TP.ăHăCHệăMINH,ăthángă06ănmă2012
HUTECH

CỌNGăTRỊNHăCăHOĨNăTHĨNHăTI
TRNGăIăHCăKăTHUTăCỌNGăNGHăTP.ăHCM

Cán b hng dn khoa hc : TS.VÕ HOÀNG DUY

Cán b chm nhn xét 1:
Cán b chm nhn xét 2:

Lun vn thc s đc bo v ti Trng i hc K thut Công ngh TP. HCM
ngƠy tháng nm 2012.

ThƠnh phn Hi đng đánh giá lun vn thc s gm:
1. PGS.TS. Ch tch Hi đng
2. PGS.TS. Phn bin 1
3. TS. Phn bin 2
4. TS. y viên
5. TS. Th kỦ
Xác nhn ca Ch tch Hi đng đánh giá lun vn vƠ Khoa qun lỦ chuyên ngƠnh
sau khi lun vn đƣ đc sa cha (nu có).

ChătchăHiăđngăđánhăgiáăLunăvn KhoaăqunălỦăchuyênăngƠnh
HUTECH

TRNG H K THUT CÔNG NGH TP.HCM
PHÒNG QLKH ậ TSH



III. NGĨYăGIAOăNHIMăV:ăngày 15 tháng 09 nm 2011.
IV. NGĨYăHOĨNăTHĨNHăNHIMăV:ăngày 15 tháng 06 nm 2012.
V. CÁNăBăHNGăDN:ă TS. Võ Hoàng Duy. Cánăbăhngădn KhoaăqunălỦăchuyênăngƠnh
HUTECH

LIăCAMăOAN Tôi xin cam đoan rng lun vn vi ni dung ắNghiênăcuăngădngămôă
hìnhăQuadrotorătrongăgiámăsátăvƠăcuăh”ălà công trình nghiên cu ca riêng
tôi, di s hng dn ca TS. Võ Hoàng Duy.
Các s liu, kt qu mô phng nêu trong lun vn là trung thc, có ngun
trích dn và cha đc công b trong các công trình nghiên cu khác.

Tp. H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 nm 2012
Ngiăthcăhinălunăvn Phm Quc Phng


Tp. H Chí Minh, ngƠy 15 tháng 06 nm 2012

Ngiăthcăhinălunăvn Phm Quc Phng
HUTECHi
MCăLC
MCăLC i
DANHăMCăCÁCăCHăVITăTT iii
DANHăMCăHỊNHăNH v
TịMăTT vi
ABSTRACT vii
Chng 1: M U 1
1.1 LỦ do chn đ tƠi. 1
1.2 Mc đích nghiên cu 1
1.3 Phng pháp nghiên cu 2
1.4 Phm vi nghiên cu 2
1.5 ụ ngha khoa hc vƠ thc tin. 3
1.6 B cc ca lun vn 3
Chng 2: TNG QUAN 4
2.1 Lch s phát trin Quadrotor. 4
2.2 t vn đ 6
2.3 Nhim v vƠ mc tiêu ca lun vn. 7

y: V trí dƠi theo trc y
E
.
z: V trí dƠi theo trc z
E
.
: Góc roll ( xoay quanh trc XΨ.
: Góc yaw ( xoay quanh trc ZΨ.
: Góc pitch ( xoay quanh trc YΨ.
u: Vn tc dƠi theo trc x
B
.
v: Vn tc dƠi theo trc y
B
.
w: Vn tc dƠi theo trc z
B
.
u: Gia tc dƠi theo trc x
B
.
v: Gia tc dƠi theo trc y
B
.
w: Gia tc dƠi theo trc z
B
.
q: Vn tc góc theo trc x
B
.

: là gia tc theo phng X
b
.


: là vn tc góc ca cánh qut.


,

(



): lƠ lng tng hoc gim ca 

.


: là gia tc theo phng Y
b
.


: là vn tc góc ca cánh qut.


,

(

:Moment góc Yaw.
W: Trng lc.
I: Moment quán tính
: Vector tc đ cánh qut.

1
: Tc đ cánh qut trc.

2
: Tc đ cánh qut phi.

3
: Tc đ cánh qut sau.

4
: Tc đ cánh qut trái.
HUTECHv
DANHăMCăHỊNHăNH

Hình 4.5 Mô hình điu khin đ cao và góc xoay 30
Hình 4.6 Mô hình mô phng Quadrotor trong Matlab Simulink. 31
Hình 4.7 Trng hp 1 Hình 4.8 Trng hp 2 31
Hình 4.9 Trng hp 3 Hình 4.10 Trng hp 4 32
Hình 4.11 Trng hp 5 Hình 4.12 Trng hp 6 32
Hình 5.1 Mô hình Quadrotor 2D. 36
Hình 5.2 Mô hình Quadrotor 3D. 37
Hình 5.3 Mô hình Quadrotor (trong phn mm InventorΨ. 38
Hình 5.4 Kt qu mô phng ng sut vƠ chuyn v. 38
Hình 5.5 Mô hình Quadrotor. 39
Hình 5.6 S đ khi mch điu khin 40
Hình 5.7 Mô hình kim tra lc đy motor 40
Hình 5.8 Bng tham chiu tc đ đng c 41
Hình 5.9  th đáp ng lc đy đng c 42
Hình 5.10 Giao din giám sát Quadrotor 42

HUTECHvi
TịMăTT
Trong nhng nm gn đơy máy bay trc thng QuadrotorngƠy cƠng tr nên
quan trng, lƠ nn tng cho c nghiên cu vƠ thng mi trong các ng dng
phng tin bay không ngi lái.Phng tin bay không ngi lái (UAVΨ lƠ máy
bay có kh nng bay mà không cn ngi vn hƠnh bên trong. Phng tin nƠy có
th đc điu khin t xa bi ngi điu hƠnh trên mt đt, hoc bay t đng thông
qua mt đng bay đc lp trình trc. UAVs đƣ đc quơn đi s dng cho các
hot đng tìm kim vƠ cu h.
Lun vn: “Nghiên cu ng dng mô hình Quadrotor trong giám sát vƠ cu
h” Nghiên cu nƠy đc thc hin mô phng trong môi trng MATLAB /

Quadrotor to make steady corrections that do not break into an oscillation.
Modelling of a Quadrotor for building a craft structure that was both stiff and
lightweight. I incorporated in my quadrotor a closed loop, proportional control
system which measured in-flight dynamics via a three axis gyro and two dual axis
tilt-sensors. A microcontroller took these sensor inputs and performed proportional
control on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors. The
controlled results and sent to the microcontroller which then provides the brushless
motor drivers the pulse width modulated signal that specifies the speed at which the
motors have to spin. The speed translates into a force that keeps the Quadrotor
stable.
HUTECH1
Chngă1: MăU

1.1 LỦădoăchnăđătƠi.
Khoa hc vƠ công ngh có vai trò rt quan trng trong s nghip công nghip
hóa vƠ hin đi hóa đt nc, lƠ thc đo vƠ đng lc phát trin ca mi quc gia.
NgƠy nay, các nhƠ khoa hc vn luôn không ngng nghiên cu vƠ phát trin các
ng dng nhm phc v cho nhu cu ngƠy cƠng nơng cao ca con ngi. Khoa hc
vƠ công ngh giúp chúng ta ngƠy cƠng vn cao hn, xa hn, sơu hnầ
Trong nhng nm gn đơy, các vin nghiên cu, trng đi hc, trung tơm
nghiên cu vƠ phát trin công ngh trên th gii đƣ đi sơu vƠo nghiên cu vƠ phát
trin ng dng mt thit b bay không ngi lái (UAVΨ có kh nng đáp ng mt
cách linh hot các yêu cu ca con ngi.
Trong khi đó  Vit Nam hin nay vn cha có mt công trình nghiên cu hoƠn

t, điu khin, ghép ni máy tính, truyn thông không dơy, mô hình hóa, mô phng,
lp trình điu khin, lp trình giao din,ầ trong khi nhng đ tƠi trong nc nghiên
cu v Quadrotor lƠ không nhiu vƠ cng cha có kt qu thƠnh công m mƣn. Do
đó, ngi thc hin ch trng tơm đi sơu vƠo nghiên cu thit b bay không ngi lái
có 4 cánh hay còn đc gi lƠ Quadrotorvi mt s điu kin nh sau:
 Nghiên cu loi Quadrotor 4 cánh công sut nh s dng đng c không
chi than.
 S dng các cm bin góc vƠ gia tc.
 Thi gian bay trong khong 5 phút.
 Cho phép hot đng trong phòng thí nghim vƠ ngoƠi tri.
 Lc nơng ti đa ca robot lƠ 1kg.
 Mc tiêu ca đ tƠi lƠ tp trung ch yu vƠo bƠi toán điu khin cơn bng.
HUTECH3
1.5 ụănghaăkhoaăhcăvƠăthcătin.
1.5.1 ụănghaăkhoaăhc.
 tƠi hoƠn thƠnh lƠ bc khi đu cho các đ tƠi nghiên cu ng dng
Quadrotor có tính phc tp cao hn. ng thi có th áp dng các kt qu nghiên
cu đc, lƠm tƠi liu tham kho cho các công trình nghiên cu sau nƠy.
1.5.2 ụănghaăthcătin:
Tích hp camera wifi đ phơn gii cao đ quay phim vƠ chp nh gi v
máy tính trong các ng dng giám sát vƠ thm dò.
Tích hp h thng đnh v toƠn cu GPS đ Quadrotor có th t bay không cn
ngi điu khin mƠ ch ph thuc vƠo các trm điu khin mt đt thông qua sóng
wifi. Vic tích hp thêm h thng đnh v GPS lƠ mt bc tip theo giúp cho
quadrotor tr nên linh hot hn trong quá trình thc hin nhim v.
NgoƠi ra, vic tích hp thêm mt s thit b ph tr phc v cho tng loi
nhim v cng cn đc quan tơm nh vic lp thêm các cm bin siêu ơm, cm
Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1
n nm 1920, Etienne Oemichen đƣ ch to mt chic quadrotor vi 8 cánh qut
linh hot nhm điu khin vƠ to lc đy.Ban đu, nó đc gn thêm mt khí cu đ
nơng vƠ gi n đnh cho c máy nƠy.Nm 1924, Oemichen đƣ thƠnh công
khi cho
chic quadrotor bay mƠ không cn s tr giúp ca khí cu.Sau đó, nó
không bao
gi đc s dng na. HUTECH5

Hình 2.2 Quadrotor ca Etienne Oemichen
Hình 2.4Draganflyer X-Pro
Công vic nghiên cu v Quadrotor đƣ đc quan tơm t lơu bi các nhóm nghiên
cu khác nhau trên th gii đƣ chng t rng quadrotor lƠ mt la chn tt cho các
ng dng ca UAV so vi mt máy bay trc thng thông thng.Quadrotor ngƠy
cƠng đc ng dng rng rƣi trong lnh vc quơn s cng nh dơn s.Nó đƣ mang
li cho các nhƠ khoa hc thêm nhiu la chn cho công vic nghiên cu.
2.2 tăvnăđ
UAV (Unmanned Arial Vehicle) lƠ mt thit b bay có gn đng c nhng
không ngi lái, s dng các lc khí đng hc đ di chuyn, có th bay t đng
hoc thông qua b điu khin t xa.
Ngày nay, mt s lng ln UAV đc phát trin da trên các nhim v yêu
cu đc đt ra. Thông qua s lng các UAV đang đc s dng cho thy không
th ph nhn kh nng ca các phng tiên bay lên thng bi tính tin dng vƠ linh
hot trong phm vi hot đng hp. Phng tin bay lên thng có th bay trong các
khu vc thp hn so vi mt nc bin vƠ cung cp chi tit các thông tin v khu vc
đó thông qua các trm điu khin.
Các UAV đc bit đn bi kh nng thc hin các nhim v liên quan đn các
thit b quơn s. Sau khi chin tranh lnh kt thúc, hƠng lot các nc nh M, Tơy
Ểu, Ỏc, Israel, Trung Quc, Nga đƣ đu t cho các công trình nghiên cu vƠ phát
HUTECH7
trin UAV. Các loi UAV phc v cho các nhim v quơn s khác nhau đc thit
k vƠ đa vƠo thc t. NgoƠi các thit k dƠnh cho quơn s, các ng dng cho các

8
 Thi công mô hình Quadrotor đ kim nghim thc t.
 Nhn xét kt qu đt đc và so sánh vi các kt qu đƣ đc trong và
ngoƠi nc.
2.3.2 Mcătiêu:
 Mô t đc mô hình toán hc ca 1 thit b bay không ngi lái.
 Xơy dng thut toán điu khin n đnh vƠ chính xác.
 Mô hình thi công phi đáp ng đc các vn đ v c khí vƠ điu
khin, thm m, giá thƠnh thp.

HUTECH9
Chngă3: CăSăIUăKHIN

3.1 GiiăthiuăQuadrotor
3.1.1 nhăngha:ăQuadrotor có th đc đnh ngha lƠ mt phng tin bay có
4 cánh qut gn lên phía cui ca mt khung hình ch thp.

Hình 3.1Quadrotor.
3.1.2 Nguyênălíăhotăđng
Hình 3.3Trng thái l lng.
3.1.2.2 Trngătháiăbayălên/xungă(Throttle):
Quadrotor sbay lên hoc h xung theo phng thng đng.  bay lên,
tc đ ca 4 cánh qut tng lên, h xung thì c 4 cánh cùng gim tc đ, lúc đó s
sinh ra mt hp lc dc trc theo phng z điu khin quadrotor bay lên hoc bay
xung. Hình 3.4Trng thái bay lên/xung.
Trong đó:


:là gia tc theo phng Z
b.



:là vn tc góc ca cánh qut.


:lƠ lng tng hoc gim ca 

đ bay lên hay h xung.
Lu Ủ: 


,

(



): lƠ lng tng hoc gim ca 

.
3.1.2.4 Trngătháiăltătrc/ăsauă(Pitch):
Quadrotor s bay ti trc hoc bay lùi v sau. Tng t nh khi bay
nghiêng trái/ phi, 2 cánh qut trái vƠ phi gi mt tc đ nh nhau Đ bay ti
(lùiΨ điu khin tng(gimΨ tc đ ca cánh qut sau vƠ gim (tngΨ tc đ cánh qut
trc, sinh ra moment xoay quanh truc Y
b
.
Hình 3.6Trng thái lt trc/sau
Trong đó:


: lƠ gia tc theo phng Y
b