- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay sự phát triển của khoa học và công nghệ đã có những bƣớc nhảy vọt, đặc biệt là về phần cứng nhƣ tốc độ và khối lƣợng tính toán, độ chính xác của vi xử lý và cảm biến ngày càng cao hơn, bên cạnh đó là khả năng tạo mẫu nhanh với máy in 3D, cho phép sự phát triển của các thiết bị không những mang tính ứng dụng cao, mà ở đó phần quan trọng nhất của thiết bị chính là các bộ điều khiển. - Khả năng áp dụng các bộ điều khiển này một phần nhờ kế thừa nền tảng lý thuyết điều khiển tuyến tính và sự có mặt của khái niệm hàm điều khiển Lyapunov đã giúp cho việc giải quyết tính ổn định của hệ thống sử dụng các bộ điều khiển phi tuyến đơn giản hơn, nhất là khi có ảnh hƣởng của nhiễu ngoại lực, bất định hoặc mục đích điều khiển tối ƣu. - Bên cạnh đó, trên cơ sở lý thuyết Cơ học kỹ thuật, hầu hết mô hình động học đối tƣợng đƣợc chỉ ra rõ ràng và ngày càng đƣợc mở rộng sát với thực tế, do vậy các bộ điều khiển ngày càng đáp ứng đƣợc nhiều yêu cầu điều khiển phức tạp. - Sự xuất hiện của các thiết bị chỉ có trong quân sự trƣớc đây nhƣ GPS, robot quân sự, máy bay không ngƣời lái … trong dân sự là minh chứng cho sự phát triển và xu hƣớng thiết kế các thiết bị có tính ứng dụng điều khiển cao. - Từ cơ sở đó, học viên đã quyết định chọn đối tƣợng Máy bay không ngƣời lái Quadrotor,do tính ứng dụng cao và khả năng chế tạo đơn giản, làm đối tƣợng điều khiển cũng nhƣ đƣa ra bộ điều khiển tối ƣu để giải quyết vấn đề cân bằng, đáp ứng vị trí đặt và hƣớng (xoay quanh trục z) đặt cho đối tƣợng trên. - Luận văn tốt nghiệp do học viên thực hiện với tên gọi: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái”. - Đào Phƣơng Nam cùng các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội. - 1 CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR. - 8 1.4 Tổng quan mô hình máy bay không ngƣời lái dạng Quadroto. - 10 1.4.2 Mô hình của UAV dạng Quadroto. - 12 1.4.2.1 Mô hình máy bay theo phƣơng pháp Euler – Lagrange. - Mô hình máy bay theo phƣơng pháp Newton – Euler. - Mô hình sử dụng để thiết kế bộ điều khiển. - 23 2.1 Bộ điều khiển tối ƣu. - 23 2.1.1 Bộ điều khiển tối ƣu dùng phƣơng pháp quy hoạch động. - ..23 2.1.2 Bộ điều khiển tối ƣu cho mô hình đã tuyến tính hóa. - 23 2.2 Điều khiển dự báo (MPC. - 24 2.2.1 Mô hình điều khiển dự báo. - 25 2.2.1.1 Mô hình điều khiển tối ƣu. - 25 2.2.1.2 Mô hình điều khiển dự báo sử dụng hàm trực giao. - 29 3.1 Điều khiển dự báo thời gian liên tục (Continuous-time MPC. - 29 3.1.1 Mô hình tuyến tính. - 29 3.1.2 Mô hình hóa quỹ đạo điều khiển. - 30 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 3 3.1.4 Chiến lƣợc điều khiển tối ƣu. - 36 3.2.1 Mô hình hệ thống. - 41 4.1 Hệ thống giám sát và điều khiển Quadroto. - 43 4.2 Cấu trúc điều khiển đề xuất. - 49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tham số của mô hình Quadrotor. - 44 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 6 CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI DẠNG QUADROTOR 1.1 Đặt vấn đề Mặc dù có những phát triển rõ ràng trong việc cân bằng dòng máy bay không ngƣời lái, tuy nhiên để UAVs phát huy đƣợc hết hiệu năng và ứng dụng tốt trong thực tiễn, các bộ điều khiển cần cải tiến hơn nữa cả về mặt tối ƣu năng lƣợng và khả năng chịu nhiễu ngoại lực, bất định bên cạnh việc bám vị trí và quỹ đạo đặt. - Chính vì vậy, học viên quyết định thực hiện đề tài: “Điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái”. - Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu đƣợc thực hiện dựa trên những kiến thức học viên đƣợc học và trên nền tảng nghiên cứu điều khiển Quadrotor trƣớc đó. - Nội dung đồ án đƣợc sắp xếp nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan và ứng dụng của thiết bị bay không ngƣời lái cũng nhƣ tình hình nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho các thiết bị này và đặt vấn đề cho đề tài này. - Giới thiệu sơ bộ về mô hình bay Quadrotor và trình bày các bƣớc chọn biến trạng thái, xây dựng mô hình đối tƣợng thiết kế điều khiển. - Chƣơng 2: Trình bày ngắn gọn lý thuyết điều khiển dự báo cho hệ máy bay không ngƣời lái. - Chƣơng 3: Tổng hợp bộ điều khiển dự báo cho đối tƣợng Quadrotor. - Phân tích ổn định của hệ kín cũng trình bày cho bộ điều khiển. - Chƣơng 4: Đề xuất cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển mô hình bay Quadrotor. - Cấu trúc phần cứng và phần mềm sơ bộ đƣợc đề xuất cho mục LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 7 đích xây dựng hệ thống thử nghiệm và kiểm tra đáp ứng của các bộ điều khiển Quadrotor. - Nghiên cứu khoa học: Điều khiển từ xa thu thập thông tin và nghiên cứu về đối tƣợng. - đã khiến cho việc đƣa UAVs vào áp dụng thực tế chỉ còn bƣớc thiết kế bộ điều khiển & lập trình giám sát, điều khiển. - Cũng chính vì điều này, một lƣợng lớn các nghiên cứu về điều khiển UAVs đƣợc công bố kèm thực tế, tuy nhiên chủ yếu là để giữ thăng bằng ổn định trên LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 9 không và chuyển động gần tới điểm mong muốn. - Các kỹ thuật điều khiển tiêu biểu có thể kể đến: i. - Các bộ điều khiển phản hồi đơn giản nhƣ PD, PID [6] hoặc thiết kế bộ điều khiển LQR [9] cho mô hình đã đƣợc tuyến tính hóa. - Đặc điểm các bộ điều khiển này là dễ dàng áp dụng vào thực tế nhƣng chất lƣợng có thể không tốt do nhiễu ngoại lực và nhiễu bất định. - Bộ điều khiển dự báo kết hợp bộ điều khiển Back-stepping [20] nhằm xác định tín hiệu điều khiển khiến hệ kín ổn định tiệm cận. - Đặc điểm bộ điều khiển loại có thể đạt tới điểm đặt, có tính bền vững (với điều khiển trƣợt) nhƣng yêu cầu tính toán cao trong thiết kế và áp dụng thực tiễn. - Các bộ điều khiển nâng cao sử dụng điều khiển thích nghi [5],[23], điều khiển bền vững nhằm nâng cao khả năng chịu nhiễu của UAVs nhƣ tác động của gió, ngoại lực khác … iv. - Các bộ điều khiển sử dụng phản hồi hình ảnh. - Camera thu thập hình ảnh có thể gắn trên [3] hoặc gắn ngoài [4] quan sát UAV, tính toán tốc độ và góc quay, từ đó đƣa ra phản hồi cho tín hiệu điều khiển. - Các bộ điều khiển khác sử dụng lý thuyết Điều khiển mờ [10], Mạng nơron [11] hay trí thông minh nhân tạo [33]. - Do chất lƣợng điều khiển ổn định đã đƣợc đáp ứng tốt, các nghiên cứu điều khiển trong 5 năm trở lại đây lại tập trung chủ yếu vào 3 hƣớng: Thiết kế bộ điều khiển nâng cao thích nghi, bền vững nhằm chống nhiễu trong những môi trƣờng đặc biệt [5]. - Tập trung thiết kế bộ điều khiển tối ƣu với các phiếm hàm mục tiêu nhằm tối ƣu năng lƣợng, tối ƣu thời gian bay đạt tới điểm đặt trạng thái . - Mở rộng mô hình máy bay nhƣ lắp thêm cánh tay robot điều khiển lên UAV và điều khiển ổn định và bám giá trị, quỹ đạo đặt [25]. - 1.4 Tổng quan mô hình máy báy không ngƣời lái dạng Quadrotor: Trƣớc khi đi đến nội dung thiết kế bộ điều khiển, phần dƣới đây trình bày cấu tạo, nguyên lý bay và mô hình động học của UAV dạng Quadrotor. - Viết lại (1.2) đƣợc: 22.iif Avr= (1.3) và 2i i ifkw= (1.4) Do vậy để điều khiển đƣợc hoạt động của Quadrotor cần phải điều khiểu khiển tỉ lệ tốc độ tƣơng ứng giữa 4 cánh quạt. - Hình 1.2 – Chiều momen quay khi 3 góc Euler thay đổi [8] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 12 1.4.2 Mô hình của UAV dạng Quadrotor. - Phần tiếp theo của chƣơng này tập trung vào mô hình hóa và làm rõ tính chất ràng buộc non-holonomic bậc cao của Quadrotor. - Có hai phƣơng pháp để mô hình hóa Quadrotor là phƣơng pháp Euler - Lagrange và phƣơng pháp Newton - Euler. - Trên cơ sở đó, đƣa ra mô hình để làm đối tƣợng cho việc thiết kế bộ điều khiển. - Trong mô hình đƣợc trình bày dƣới đây, tọa độ vị trí P(t. - Điều kiện cho các góc Euler Các tham số của mô hình bay Quadrotor đƣợc cho ở bảng dƣới đây: Hình 1.3 – Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính [8] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 13 Bảng 1.1- Bảng tham số của mô hình Quadrotor Tham số/Hằng số Mô tả m Khối lƣợng của toàn bộ Quadrotor. - 1.4.2.1 Mô hình máy bay theo phƣơng pháp Euler - Lagrange Biểu thức động năng của Quadrotor bao gồm động năng tịnh tiến và động năng quay lần lƣợt là: 12TtransTmxx. - hay LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 16 ( )12TdJJdth h h thæö¶÷ç-=÷ç÷÷çèø. - (1.13) Vậy từ có mô hình Quadrotor. - (1.14) Để tiện hơn trong thiết kế bộ điều khiển, đặt. - (1.16) Vậy, mô hình động học Quadrotor thu đƣợc sử dụng Định lý Euler – Lagrange là: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 17. - Mô hình máy bay theo phƣơng pháp Newton - Euler Chuyển động trong không gian của Quadrotor do không có sự ràng buộc nào nên hoàn toàn có thể coi đó là chuyển động kết hợp của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của Quadrotor. - Khi đó: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 18. - Vậy, mô hình Quadrotor sử dụng phƣơng pháp Newton - Euler có dạng: ˆzrot gyrom RF mgEIIxtt=-W. - Mô hình sử dụng để thiết kế bộ điều khiển Trong hai mô hình Quadrotor (1.14) và (1.19), do cùng sử dụng tọa độ trong hệ tọa độ quán tính chỉ vị trí nên phƣơng trình ma trận đầu của hai mô hình là giống nhau. - Tuy nhiên, khi sử dụng phƣơng pháp Newton - Euler, tọa độ chỉ hƣớng sử dụng trong mô hình là góc tuyệt đối trên hệ tọa độ gắn liền với Quadrotor. - Do vậy, phƣơng trình ma trận thứ hai của hai mô hình là khác nhau. - hay mô hình Newton - Euler (1.19) đƣợc thu gọn lại thành (1.17) của mô hình Euler - Lagrange (1.14. - (1.21) Đây chính là mô hình đƣợc sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cân bằng bám vị trí đặt và góc yaw đặt, với vector tín hiệu điều khiển đầu vào LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 20 1.4.2.4. - Điều này nhìn chung khiến cho việc thiết kế điều khiển cho các hệ có liên kết loại này phức tạp và khó khăn hơn ngay chỉ trong bài toán điều khiển ổn định. - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 21 2. - Thông thƣờng điều này xảy ra trong bài toán điều khiển thay đổi chuyển động nhƣ mong muốn nên phải xét tính liên kết non-holonomic nhƣ Unicycle hay xe tự hành. - Trong Quadrotor, liên kết non-holonomic xuất hiện do lực đẩy tác động bởi 4 motor là vuông góc so với mặt phẳng chứa 4 cánh quạt, do vậy khi mong muốn điều khiển Quadrotor theo các hƣớng sẽ phải xét đến sự không trƣợt ở toàn bộ mọi hƣớng. - Từ mô hình (1.21) có thể thấy ràng buộc non-holomic bậc cao của Quadrotor: Vấn đề điều khiển hệ non-holonomic nói chung là một chủ đề thu hút mạnh các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ qua và phần lớn tập trung đi theo một trong hai hƣớng sau: 1. - Chuyển mô hình ban đầu của hệ sang mô hình trên miền không gian trạng thái và sử dụng các kết quả của Lý thuyết điều khiển để giải quyết vấn đề đặt ra của bài toán. - Chuyển mô hình ban đầu của hệ về dạng Chained Form trong toán học và sử dụng các công cụ toán học để giải quyết vấn đề đặt ra. - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 22 ii. - Tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở bộ điều khiển ổn định tiệm cận và đang đƣợc mở rộng ra cho các mô hình động học và động lực học có xét đến nhiễu và bất định tham số. - Phần tiếp theo của luận văn này tập trung vào thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho Quadrotor - bám vị trí đặt và hƣớng đặt theo trục z đảm bảo đồng thời tính ổn định tiệm cận mà tối ƣu đƣợc năng lƣợng đầu vào. - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 23 CHƢƠNG II: BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO HỆ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI 2.1 Bộ điều khiển tối ƣu. - Trong mục này, bộ điều khiển tối ƣu đƣợc thiết kế trên nền tảng lý thuyết điều khiển tối ƣu sử dụng phƣơng pháp quy hoạch động và phƣơng pháp điều khiển Inverse Optimal Stabilization. - Bộ điều khiển cận tối ƣu đƣợc thiết kế dựa trên bộ điều khiển tối ƣu Linear Quadratic Regulator (LQR) cho hệ đã đƣợc tuyến tính hóa. - Lợi dụng ma trận Riccati đƣợc tìm thấy ở phƣơng pháp trên, bộ điều khiển tối ƣu đƣợc thiết kế và chứng minh ổn định với các hệ affine thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc. - 2.1.1 Bộ điều khiển cận tối ƣu sử dụng phƣơng pháp quy hoạch động. - Để thiết kế bộ điều khiển cận tối ƣu, bƣớc 1 - hệ (2.1) đƣợc tuyến tính hóa tại điểm làm việc, tìm hàm Bellman và bộ điều khiển LQR với hàm mục tiêu tƣơng ứng. - Bƣớc 2 với giả thiết hàm Bellman tìm đƣợc là xấp xỉ của hàm Bellman cho hệ phi tuyến gốc, bộ điều khiển cận tối ƣu đƣợc tìm ra trên cơ sở giữ cho vế trái phƣơng trình Halmilton Jacobi Bellman (HJB), có đạo hàm hàm Bellman dọc quỹ đạo (2.1) nhỏ nhất và bằng 0. - Bƣớc 3, bộ điều khiển tìm thấy đƣợc chứng minh giữ cho hệ kín ổn định tiệm cận khi ma trận Riccati thỏa mãn điều kiện xác định. - 2.1.2 Bộ điều khiển tối ƣu cho mô hình đã tuyến tính hóa. - Giả thiết hệ (2.1) tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng x+ đƣợc mô hình: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 24 ( )x t Ax Bu. - và cặp ( ),AB thỏa mãn hệ (2.4) điều khiển đƣợc. - Hàm mục tiêu cho bộ điều khiển tối ƣu có dạng. - Theo [1] bộ điều khiển tối ƣu LQR tƣơng ứng. - tr.201, khi áp dụng phƣơng pháp quy hoạch động trong bài toán tìm tín hiệu điều khiển tối ƣu cho hệ tuyến tính và hàm mục tiêu trên, phƣơng trình HJB sẽ trở thành phƣơng trình vi phân Riccati, do đó có mối liên hệ giữa hàm Bellman và ma trận Riccati nhƣ trên, cũng nhƣ bộ điều khiển chính là bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ƣu LQR.) Nhận xét 1: Rõ ràng bộ điều khiển tối ưu (2.6) với hàm mục tiêu (2.5) chỉ làm cho hệ (2.1) ổn định cục bộ với quỹ đạo trạng thái có điểm cuối x+ và điểm đầu trong lân cận0 x e 0, trạng thái dự đoán x(ti + τ ti) đƣợc mô tả bởi phƣơng trình: Với tín hiệu vào là: Và ma trận B đƣợc viết dạng cột nhƣ sau: B= [B1 B2 … Bm]. - Ta có công thức truy hồi: (A + pI)w1 = v1 (3.26) Với k=2,…N 3.1.4 Chiến lược điều khiển tối ưu (Optimal Control Strategy) Ta có hàm chi phí : Để cho đơn giản ta chọn R là ma trận đƣờng chéo R= diag Với k= 1,2,…,m. - Theo trên ta có: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 35 Mà mặt khác : Suy ra: Suy ra bộ điều khiển phản hồi trạng thái : LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nguyễn Phú Bình – CA140405 – Lớp Cao học ĐK-TĐH – 2014A Trang 36 3.2 Mô phỏng trên Matlab 3.2.1 Mô hình hệ thống Các chƣơng trình m.file phục vụ tính toán mô phỏng Đổi hệ:A,B,C là các ma trận đặc tính của đối tƣợng
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt