Luận Văn Thạc Sĩ
LUẬN VĂN THẠC SỸ
ĐỀ TÀI:
MÔ HÌNH QUADROTOR

1
Luận Văn Thạc Sĩ
Thành phố Hồ Chí Minh
Mục Lục:
Chương 1 Tổng quan về đề tài 3
1.1 Đặt vấn đề 3
1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 4
1.2.1 Một số công trình liên quan nổi bật 5
1.2.2 Chi tiết một số công trình 6
1.2.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan 8
1.3 Phạm vi nghiên cứu 9
1.4 Tóm lược nội dung luận văn 10
Chương 2 Mô hình hóa hệ quadrotor 11
2.1Mô tả cấu tạo phần cứng hệ quadrotor 11
2.2Mô tả phương thức di chuyển và điều hướng quadrotor 12
2.3Mô hình toán học quadrotor 15
Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển thăng bằng dùng thuật toán PD 14
3.1Bộ điều khiển PID 20
3.2Mô hình simulink mô phỏng bộ điều khiển PD 21
3.3Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PD
3.3.1 Các mô phỏng thay đổi Kp, Kd với m = 0.5 kg 24
3.3.2 Mô phỏng thay đổi khối lượng tải m 32
3.3.3 Mô phỏng thay đổi điều kiện đầu 34
3.3.4 Mô phỏng tín hiệu đặt là xung vuông với tải thay đổi 40
3.4Xây dựng bộ điều khiển Back-stepping 24
3.5Mô phỏng bộ điều khiển 28

Các thiết bị bay từ lâu đã là một ngành khoa học hàng đầu được con người đầu tư phát
triển mạnh mẽ. Trong đó các thiết bị bay có người lái đã có một lịch sử phát triển lâu dài
cũng như đang thống trị trong các ngành hàng không dân dụng và quân sự. Bên cạnh đó
các thiết bị bay không người lái đang mở một hướng phát triển mạnh mẽ và dài hạn cho
tương lai, và nó cũng đang tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt trong các lĩnh vực quan sát, do thám,
tiếp cận những nơi con người không đặt chân tới được
Mô hình quadrotor mà đề tài theo đuổi chính là một thiết bị bay rất độc đáo, với 4
cánh quạt, lực nâng của thiết bị là rất lớn, đồng thời khả năng xoay chuyển linh hoạt kết
hợp với cách cất cánh hạ cánh theo phương thẳng đứng thể hiện tính cơ động cao. Với
một mô hình nhỏ có thể mang theo camera để ghi hình cũng như chụp lại ảnh theo yêu
cầu của con người, tiến xa hơn là chuyên chở người, thiết bị
Bên cạnh sự linh động mà 4 cánh quạt tạo ra thì nó cũng đặt ra nhiều thách thức
lớn trong phương pháp điều khiển. Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển tốt, trong
nhiều điều kiện thì cần bỏ ra rất nhiều thời gian thiết kế và thử nghiệm, kèm theo sử dụng
những cảm biến có độ nhạy cao, thuật toán điều khiển phức tạp.
Với yêu cầu điều khiển thăng bằng đạt chất lượng tốt, đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo sự
an toàn khi bay nên việc chọn bộ điều khiển là rất quan trọng. So sánh rất nhiều bộ điều
khiển như PID, Lyapunov, Backstepping, Sliding mode… học viên quyết định tiến tới
thực hiện đề tài với bộ điều khiển Backstepping. Mục tiêu hướng tới là điều khiển là ổn
định góc nghiêng 3 trục Roll, Pitch, Yaw của mô hình và bám theo góc nghiêng từ tín
hiệu đặt.

4
Luận Văn Thạc Sĩ
1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi
sâu vào thiết kế, chế tạo, điều khiển nhiều mô hình tương tự mô hình quadrotor của luận
văn, các nghiên cứu rất đa dạng, từ những mô hình đi sâu vào tối ưu hóa kích thước rất
nhỏ gọn nhẹ nhàng tới những mô hình đặt vấn đề về độ vững chắc với thiết kế rất cứng
cáp vững vàng bù lại đó là sự nặng nề và tiêu hao năng lượng lớn. Mỗi thiết đều có đặc

ANU

M. Kemper’s thesis
Univ. Oldenburg

P. Tournier’s
thesis
MIT

MD4-20
0
®
microDrones
GmbH

1.2.2 Chi tiết một số công trình

6
Hình 1.1 Một số mô hình nổi bật
Luận Văn Thạc Sĩ
Mesicopter (Stanford)
Được trang bị với những động cơ super mini, kích thước của mesicopter nhỏ gọn một
cách ấn tượng, chỉ tương đương với một đồng xu, như trong hình minh họa trên, cả mô
hình nằm gọn trong lòng bàn tay con người. Với kích thước đặc biệt nhỏ, hứa hẹn ứng
dụng của mesicopter trong lĩnh vực tình báo, cũng như giám sát là rất cao, nhưng đi kèm
theo nó cũng cần phát triển một hệ thống các thiết bị siêu nhỏ khác.

7
Hình 1.2 Mô hình Mesicopter (Stanford)
Luận Văn Thạc Sĩ

 Phương pháp điều khiển thông minh (Fuzzy, Neuron…)

10
Luận Văn Thạc Sĩ
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Để điều khiển một quadrotor yêu cầu đầu vào lên tới 4 tín hiệu điều khiển độc lập
cho 4 cánh của mô hình. Chọn giải thuật điều khiển cho hợp lý để triển khai cũng rất đa
dạng. Sau thời gian tìm hiểu và thí nghiệm với nhiều bộ điều khiển, học viên nhận thấy
bộ điều khiển Backstepping là khả thi trong thực hiện nhất. Luận văn sẽ đi sâu vào thí
nghiệm tìm thông số cho bộ điều khiển, từ đó lấy số liệu về đáp ứng đầu ra, thống kê số
liệu để tạo điều kiện cho những nghiên cứu tiếp theo.
Các công việc thực hiện trong đề tài:
- Tìm hiểu bộ điều khiển Back-stepping.
- Áp dụng bộ điều khiển Back- stepping xây dựng bộ điều khiển cho mô hình
quadrotor.
- Hiện thực thuật toán điều khiển đưa vào sử dụng vi điều khiển nhúng
STM32f407VG của hãng ST. Đồng thời cũng đọc tín hiệu sensor, điều khiển các
driver động cơ cánh quạt chính bằng MCU này.
- Thu thập các kết quả, so sánh, tổng kết, báo cáo.
Trên cơ sở những kết quả thu được từ thực nghiệm thự tế, học viên tiến hành phân
tích những ưu khuyết điểm từ đó tìm ra hướng tốt hơn để cải thiện bộ điều khiển cũng
như nâng cao hơn độ chính xác của kết quả.
1.4 Tóm lược nội dung luận văn
Luận văn gồm 6 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, xu hướng phát
triển của các mô hình tương tự như trong luận văn. Khả năng ứng dụng thực tiễn, những
ưu khuyết điểm của mô hình, mức độ áp dụng của các thuật toán.
Chương 2: Trình bày chi tiết mô hình toán học mô hình quadrotor. Từ mô hình toán học
tạo bước đệm để thiết kế bộ điều khiển tiến hành mô phỏng và thực nghiệm.


- Trục x là véc tơ hướng từ motor3 tới motor1, góc xoay quanh trục x là góc roll
- Trục y là véc tơ hướng từ motor4 tới motor2, góc xoay quanh trục y là góc pitch
- Trục z là véc tơ vuông góc với x,y và hướng xuống, góc xuay quanh z là góc yaw

14
Hình 2.2
Hệ tọa độ đặt trên quadrotor
Luận Văn Thạc Sĩ
(a) Lực 2 motor 1,3 mạnh hơn để điều khiển quay ngược chiều kim đồng hồ
(b) Lực 2 motor 2,4 mạnh hơn để điều khiển quay cùng chiều kim đồng hồ
(c) Lực motor4 mạnh, motor2 yếu điều khiển xoay quanh trục roll theo chiều
kim đồng hồ
(d) Lực motor2 mạnh, motor4 yếu điều khiển xoay quanh trục roll ngược chiều
kim đồng hồ

15
Hình 2.3
Luận Văn Thạc Sĩ
(e) Lực 4 motor tăng đều để bay lên.
(f) Lực motor1 mạnh, motor3 yếu điều khiển xoay quanh trục pitch theo chiều
kim đồng hồ
(g) Lực 4 mortor giảm đều để hạ xuống
(h) Lực motor3 mạnh, motor1 yếu điều khiển xoay quanh trục roll ngược chiều
kim đồng hồ.

16
Hình 2.4
Luận Văn Thạc Sĩ
2.3 Mô hình toán học quadrotor
Sau những nguyên tắc cơ bản về chuyển động và xác định tọa độ ta tiến hành mô

Phương trình vận tốc ở mỗi điểm trên thân quadrotor
2 2 2 2
X Y Z
v v v v
= + +
(2.3.2)
Từ phương trình (3.1.2) kết hợp với phương trình quán tính ta đượng phương trình đặc
trưng của cơ năng:
2 2 2
1 1 1
( ) ( ) ( )
2 2 2
xx yy zz
T I s I c s c I s c
φ ψ θ θ φ ψ φ θ θ φ ψ φ
= − + + + −
& & &
& & &
(2.3.3)
Từ đây suy ra phương trình :
( )( ) ( )( ) ( )( )V xdm x gs ydm y gs c zdm z gc c
θ φ θ φ θ
= − + +
∫ ∫ ∫
(2.3.4)
Dùng phương trình Lagrang để tìm phương trình chuyển động:
L=T-V,
( )
i
i i

&& &
&
&& &
&
& &
&&
(2.3.6)
Ngoài ra còn có các tác động lực ngoài khác:

18
Luận Văn Thạc Sĩ
2 2
4 2
2 2
3 1
2 2 2 2
1 2 3 4
( )
( )
( )
x
y
z
bl
bl
d
τ
τ
τ


( )
xx yy zz r x
yy zz xx r y
zz xx yy z
I I I J
I I I J
I I I
φ θψ θ τ
θ φψ φ τ
ψ φθ τ

= − − Ω +


= − + Ω +


= − +


&& & &
&
&& & &
&
& &
&&
(2.3.9)
Phươn trình đặc trưng cho motor:
mot e m
m

ω τ
= − − +
(2.3.11)
Mô hình hóa theo phương trình Newton-Euler có dạng
3 3
0
0
mI mV F
V
I I
ω
ω ω τ
ω
×
×
 
     
+ =
 
     
×
     
 
&
&
(2.3.12)

19
Luận Văn Thạc Sĩ
Với các phương trình lực và moment tác động như sau:

1
( 1)
i
mxi
i
R
+
=
−
∑
Moment xoắn theo trục y (Pitching moments):
Lực hồi chuyển ở thân
( )
zz xx
I I
φψ
−
&
&
Lực hồi chuyển ở cánh quạt
r r
J
φ
Ω
&
Ảnh hưởng chỉnh xoắn
1 3
( )l T T+
Moment giữa khi tiến:
4

J
Ω
&
Lực lệch giữa khi tiến:
2 4
( )
x x
l H H
+
Lực lệch giữa khi lùi
1 3
( )
y y
l H H
− +
Lực tác động dọc theo trục z:

20
Luận Văn Thạc Sĩ
Lực tác động:
4
1
( )
i
i
c c T
ψ φ
=
∑
Trọng lượng mg

Lực tác động:
4
1
( )( )
i
i
c s s s c T
ψ φ ψ θ φ
=
− +
∑
Lực chính lên trục y
4
1
yi
i
H
=
−
∑
Lực ma sát
1
| |
2
y c
C A y y
ρ
& &
Phương trình động học:
Tổng hợp từ phương trình Newton-Euler và các phương trình mô tả lực, moment trên ta

yy zz xx r r xi myi
i i
zz xx yy r r i x x y y
i
i
i
I I I J l T T h H R
I I I J l T T h H R
I I I J Q l H H l H H
mz mg c c Q
φ θψ θ
θ φψ φ
ψ θφ
ψ φ
+
+
= =
= =
=
=
= − + Ω + − + − + −
= − + Ω + + − + −
= − + Ω + − + − + − +
= −
∑ ∑
∑ ∑
∑
&& & &
&
&& & &











= + − −



= − + − −


∑
∑ ∑
∑ ∑
&& & &
&& & &
(2.3.13)

22
Luận Văn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THĂNG BẰNG
DÙNG THUẬT TOÁN PD
3.1 Bộ điều khiển PID