Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán ổn định và điều khiển UAV dạng tri-rotor khối lượng nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm tổng hợp các bộ điều khiển tri-rotor khác nhau khi tính đến mức độ phức tạp của mô hình từ đơn giản hóa đến mô hình đầy đủ từ đó có thể đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều khiển và áp dụng cho một lớp đối tượng có mô hình toán tương tự; nghiên cứu các phương pháp mô phỏng và đánh giá độ chính xác của từng phương pháp .

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán ổn định và điều khiển UAV dạng tri-rotor khối lượng nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐẶNG VĂN THÀNH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV DẠNG TRI-ROTOR KHỐI LƢỢNG NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐẶNG VĂN THÀNH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV DẠNG TRI-ROTOR KHỐI LƢỢNG NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trần Đức Thuận 2. TS Phạm Văn Nguyên HÀ NỘI – NĂM 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Phạm Văn Nguyên. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. NGƢỜI CAM ĐOAN Đặng Văn Thành
ii LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này đƣợc thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/BQP. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Đức Thuận TS. Phạm Văn Nguyên đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Tên lửa/Viện KH-CN quân sự, Khoa Hàng không vũ trụ/Học viện KTQS, Phòng Đào tạo, Phòng Quản lý KHCN đã luôn quan tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học và đồng nghiệp đã quan tâm đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện công trình khoa học này. Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2021 Nghiên cứu sinh Đặng Văn Thành
iii MỤC LỤC MỤC LỤC ………….………………………………………………..……….…………………… iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ………..………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………..…………………………………………… x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………..………….…………………… xi MỞ ĐẦU ………………………………………….…………………………..……………………. 1 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR ……..………...…. 8 1.1. Khát quát về tri-rotor ………………….…………………..….…………………… 8 1.1.1. Nguyên lý điều khiển chuyển động tri-rotor ………………………….… 10 1.1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tri-rotor ……….....…………...……….….… 11 1.2. Tình hình nghiên cứu các thuật toán điều khiển tri-rotor……......…….. 13 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ……………….……………………….…… 14 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ……………….….………………………… 14 1.2.3. Nhận xét …….….………………….……….………………………..………………… 18 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 18 ………………………………………..…… 1.4. Kết luận Chƣơng I ……………….………...…….……………….………………… 19 Chƣơng II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 20 CHO UAV DẠNG TRI-ROTOR ……………...….……...…………………….…….…… 2.1. Các hệ tọa độ và tham số đặc trƣng khi xem xét chuyển động tri- rotor ………………….………………….…………………………..…….……………… 20 2.2. Các đầu vào và đầu ra của mô hình điều khiển tri rotor …………… 23 2.3. Các lực và các momen tác động vào tri-rotor …………………………… 24 2.3.1. Lực …………….………………………………….….………………………..….……… 25
iv 2.3.2. Các momen xoắn ………………………………….……………………….………… 29 2.4. Mô hình động học ………..………………………...….….……………….………… 32 2.4.1. Đối với chuyển động tịnh tiến ………………………………….….…………… 32 2.4.2. Đối với chuyển động quay ……………………..…………….….………………. 33 2.5. Xây dựng mô hình điều khiển chuyển động cho tri-rotor …………... 38 2.6. Kết luận Chƣơng II ……………………….……….…...………………….……… 42 Chƣơng III. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR MỘT CÁNH NGHIÊNG ……………..…………...................……………………………….…….…….……… 43 3.1. Các giả thiết ……..……………………………………….….……………….………… 43 3.2. Phân tích mô hình động lực học tri-rotor ….….………………….………… 43 3.3. Tổng hợp các vòng điều khiển cho tri-rotor một cánh nghiêng … 51 3.3.1. Tổng hợp các bộ điều khiển các kênh roll, pitch, yaw …….………… 51 3.3.2. Tổng hợp các bộ điều khiển tốc độ dài các kênh X, Y, Z …….…… 54 3.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí các kênh X, Y, Z …………….………… 58 3.4. Mô phỏng cho một số chế độ bay đặc thù …….……………….….……… 59 3.4.1. Tính toán các thông số của bộ điều khiển ổn định trạng thái ……. 60 3.4.2. Tính toán các thông số của bộ điều khiển tốc độ dài các kênh X, Y, Z ……………………..………………………………………………….…….……… 61 3.4.3. Tính toán các thông số của bộ điều khiển C3 …….……….……………… 62 3.4.4. Kết quả mô phỏng một số chế độ bay đặc thù ….…….……..…………… 63 3.5. Xét sự ảnh hƣởng của gió ……………….…………………….………….…….… 70 3.6. Kết luận Chƣơng III .…………………….………………………………….……… 78 Chƣơng IV. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRI-ROTOR VỚI MÔ HÌNH ĐẦY ĐỦ ……….……………………………………………..……………………….… 79 4.1. Xây dựng hệ điều khiển tri-rotor ứng dụng giải thuật backstepping ……….…………………………………….…………………………… 79
v 4.2. Xây dựng thuật toán điều khiển tri-rotor ứng dụng điều khiển 90 trƣợt 4.3. Mô phỏng điều khiển tri-rotor ……………….……………....….…………….… 95 4.3.1. Các thông số và điều kiện ban đầu ………………………..…..….…………… 95 4.3.2. Mô phỏng điều khiển tri rotor theo ứng dụng giải thuật backstepping ……………………..….………….………………..….…………..……. 96 4.3.3. Mô phỏng điều khiển tri-rotor theo luật điều khiển trƣợt ……….… 100 4.4. Kết luận Chƣơng IV …….……………..………..…………….……………………. 120 KẾT LUẬN ………….…………..…………………………..……..……….……….……………. 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ……….… 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………..…………………..……………………..……. 124
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Fi : Các lực đƣợc tạo ra từ các cánh quạt của tri-rotor [N ] x: Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ] y: Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ] z: Gia tốc chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E trong hệ tọa độ B gắn với trái đất [m s 2 ]  : Gia tốc góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn với quadrotor [rad s 2 ]  : Gia tốc góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn với quadrotor [rad s 2 ]  : Gia tốc góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn với quadrotor [rad s 2 ] i : Góc nghiêng của động cơ servo thứ i kt : Hệ số lực cản [N.s2/rad2] kf : Hệ số lực đẩy [N.s2/rad2] L: Khoảng cách từ tâm tri-rotor đến tâm của động cơ [m] Fg : Trọng lực Fpi : Lực đẩy từ cánh quạt thứ i đƣợc biểu diễn trong không gian Đề các
vii F1: Lực đẩy của cánh quạt trƣớc của tri-rotor [N ] F2: Lực đẩy của cánh quạt phải của tri-rotor [N ] F3: Lực đẩy của cánh quạt sau của tri-rotor [N ] fi : Lực đẩy tạo ra từ cánh quạt thứ i theo hƣớng trục động cơ R : Ma trận quay (roll-pitch-yaw) Reb : Ma trận quay từ hệ tọa độ E sang hệ tọa độ B Rbe : Ma trận quay từ hệ tọa độ B sang hệ tọa độ E Rlbi : Ma trận quay từ hệ tọa độ li sang hệ tọa độ B Tpi : Mô men đẩy sinh ra bởi lực đẩy tạo ra từ cánh quạt thứ i theo hƣớng trục động cơ Tp : Mô men đẩy tổng sinh ra bởi tất cả các cánh quạt xung quanh tâm khối lƣợng. Td p : Mô men cản vì sự quay của cánh quạt thứ i i x: Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ] y: Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ] z: Tốc độ chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]  : Tốc độ góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad s 1 ]
viii  Rbe Rlb : i Tốc độ góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad s 1 ]  : Tốc độ góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad s 1 ] i : Tốc độ của các cánh quạt [rad . s 1 ] m: Tổng khối lƣợng UAV Fp : Tổng lực nâng sinh ra bởi tất cả các động cơ Td : Tổng mô men cản từ 3 cánh quạt : Véc tơ vận tốc của UAV trong hệ tọa độ Đề các. x: Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục x E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m] y: Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục y E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m] z: Vị trí chuyển động của khối tâm tri-rotor dọc theo trục z E trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m] : Vị trí góc (pitch) của tri-rotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad ] : Vị trí góc (roll) của tri-rotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad ] : Vị trí góc (yaw) của tri-rotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn với tri-rotor [rad ]
ix BĐK Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân PID Bộ điều khiển tỷ lệ,tích phân và vi phân BLDC Brushless Direct Current motot (Động cơ điện một chiều không cổ góp) DOF Degree Of Freedom (Bậc tự do) DC Direct Current (Dòng điện một chiều) FBL Feedback Linearization (Tuyến tính hóa phản hồi) FLC Fuzzy Logic Controller (Bộ điều khiển Logic mờ) GPS Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu) CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function) IR InfraRed (Hồng ngoại) IMU Inertial Measurement Unit (Đơn vị đo lƣờng quán tính) MCU Micro Controller Unit (Bộ vi điều khiển) MIMO Multi - Input Multi - Out put (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) RC Remote Controller (Điều khiển từ xa) RF Radio Frequency (Tần số vô tuyến) UAV Unnamed Air Vehicle (Phƣơng tiên bay không ngƣời lái)
x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng tri-rotor một cánh nghiêng 59 Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng tri-rotor mô hình đầy đủ 95 Bảng 4.2 Các điều kiện ban đầu 96
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mô hình tri-rotor 8 Hình 1.2 Mô hình tri-rotor dạng 3D 9 Hình 1.3 Cấu tạo một cánh tay của tri-rotor 9 Hình 1.4 Nguyên lý điều khiển chuyển động của tri-rotor 10 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ điều khiển tri-rotor 11 Hình 2.1 Hệ tọa độ sử dụng trong xây dựng mô hình toán cho 20 tri-rotor Hình 2.2 Mối quan hệ giữa hệ tọa độ trái đất E với hệ tọa độ 21 gắn với vật B Hình 2.3 Hệ tọa độ địa lý 22 Hình 2.4 Sơ đồ đặt các hệ trục tọa độ của mỗi động cơ 22 Hình 2.5 Sơ đồ khối vào ra của tri-rotor 24 Hình 2.6 Các lực và mô men trên mặt phẳng xb-yb 25 Hình 2.7 Sơ đồ mô tả sự ràng buộc giữa các kênh của tri-rotor 37 Hình 3.1 Mô hình phân tách động lực học của tri-rotor 48 Hình 3.2 Các tín hiệu cho điều khiển kênh X 49 Hình 3.3 Các tín hiệu cho điều khiển kênh Y 49 Hình 3.4 Các tín hiệu cho điều khiển kênh Z 50 Hình 3.5 Sơ đồ khối của hệ điều khiển các kênh tri-rotor 51 Hình 3.6 Sơ đồ khối của hệ điều khiển các kênh của tri-rotor 58 Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ điều khiển các kênh của tri-rotor 59 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tri-rotor 60 Hình 3.9 Bộ điều khiển các kênh góc Euler và động lực học 61 phần góc quay của tri-rotor Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển các kênh X, Y, Z 62 Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vị trí 62 Hình 3.12. Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 1 63 Hình 3.13. Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 2 65
xii Trang Hình 3.14. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2 65 Hình 3.15. Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 3 66 Hình 3.16. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3 67 Hình 3.17. Đồ thị đáp ứng vị trí, vận tốc tri-rotor trƣờng hợp 4 68 Hình 3.18. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4 69 Hình 3.19. Sơ đồ mô phỏng khối M2 xét đến ảnh hƣởng của gió 71 Hình 3.20. Sơ đồ mô phỏng khối M1 xét đến ảnh hƣởng của gió 71 Hình 3.21. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 1 72 Hình 3.22. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 1 khi có gió 73 Hình 3.23. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 2 74 Hình 3.24. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 2 khi có gió 74 Hình 3.25. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 3 75 Hình 3.26. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 3 khi có gió 76 Hình 3.27. Đồ thị đáp ứng vị trí, góc của tri-rotor trƣờng hợp 4 77 Hình 3.28. Đồ thị bám quỹ đạo 3D trong trƣờng hợp 4 khi có gió 77 Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán mô phỏng điều khiển tri-rotor theo 97 luật điều khiển Backstepping Hình 4.2. Tín hiệu điều khiển U1 98 Hình 4.3. Tín hiệu điều khiển U2 98 Hình 4.4. Tín hiệu điều khiển U3 98 Hình 4.5. Tín hiệu điều khiển U4 98 Hình 4.6. Tín hiệu điều khiển U5 98 Hình 4.7. Tín hiệu điều khiển U6 98 Hình 4.8. Sự thay đổi góc chúc góc  99 Hình 4.9. Sự thay đổi góc hƣớng  99 Hình 4.10. Sự thay đổi góc cren  99 Hình 4.11. Chuyển động tri-rotor theo trục x 99 Hình 4.12. Chuyển động tri-rotor theo trục y 99 Hình 4.13. Chuyển động tri-rotor theo trục z 99
xiii Trang Hình 4.14. Tri-rotor bám theo độ cao đặt 100 Hình 4.15. Sai số bám theo độ cao 100 Hình 4.16. Tri-rotor bám theo tọa độ x đặt 100 Hình 4.17. Sai số bám theo tọa độ x 100 Hình 4.18. Tri-rotor bám theo tọa độ y đặt 100 Hình 4.19. Sai số bám theo tọa độ y 100 Hình 4.20. Sơ đồ thuật toán mô phỏng điều khiển tri-rotor theo 101 luật điều khiển trƣợt Hình 4.21. Thành phần số 1 lệnh điều khiển u1d 102 Hình 4.22. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 102 điều khiển số 1-u1e Hình 4.23. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 103 điều khiển số 1-u1t Hình 4.24. Thành phần số 2 lệnh điều khiển u2d 103 Hình 4.25. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 104 điều khiển số 2-u2e Hình 4.26. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 104 điều khiển số 2-u2t Hình 4.27. Thành phần số 3 lệnh điều khiển u3d 105 Hình 4.28. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 105 điều khiển số 3-u3e Hình 4.29. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 106 điều khiển số 3-u3t Hình 4.30. Thành phần số 4 lệnh điều khiển u4d 106 Hình 4.31. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 107 điều khiển số 4-u4e Hình 4.32. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 107 điều khiển số 4-u4t Hình 4.33. Thành phần số 5 lệnh điều khiển u5d 108
xiv Trang Hình 4.34. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 108 điều khiển số 5-u5e Hình 4.35. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 109 điều khiển số 5-u5t Hình 4.36. Thành phần số 6 lệnh điều khiển u6d 109 Hình 4.37. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt của thành phần lệnh 110 điều khiển số 6-u6c Hình 4.38. Lệnh điều khiển đƣa về mặt trƣợt của thành phần lệnh 110 điều khiển số 6-u6t Hình 4.39. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor khi tốc độ bay yêu cầu 111 là 0.35m/s Hình 4.40. Lệnh điều khiển tổng hợp của thành phần số 1 111 trong véc tơ điều khiển u1d Hình 4.41. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số 112 1 trong véc tơ điều khiển u1e Hình 4.42. Lệnh điều khiển trƣợt khi tri-rotor lệch ra khỏi mặt 112 phẳng trƣợt các thành phần số 1-u1t Hình 4.43. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor 113 Hình 4.44. Lệnh điều khiển tổng hợp của thành phần số 1 trong 113 véc tơ điều khiển u1d Hình 4.45. Lệnh điều khiển duy trì mặt trƣợt đối với thành phần số 114 1 trong véc tơ điều khiển u1e Hình 4.46. Lệnh điều khiển trƣợt khi tri-rotor lệch ra khỏi mặt 114 phẳng trƣợt các thành phần số 1-u1t Hình 4.47. Sự thay đổi độ cao của tri-rotor 115 Hình 4.48. Tín hiệu điều khiển u6d 115 Hình 4.49. Tín hiệu điều khiển u6e 116 Hình 4.50. Tín hiệu điều khiển u6t 116 Hình 4.51. Độ cao tri-rotor theo điều khiển trƣợt 117
xv Trang Hình 4.52. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục z 117 Hình 4.53. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục y 118 Hình 4.54. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục y 118 Hình 4.55. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor theo trục x 119 Hình 4.56. Sai số bám điều khiển trƣợt theo trục x 119 Hình 4.57. Chuyển động điều khiển trƣợt tri-rotor trong không 120 gian
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngày nay, các robot đƣợc thiết kế và chế tạo trên nền công nghệ tiên tiến có độ thông minh cao, có khả năng đƣa ra quyết định ở những tình huống phức tạp và hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt [14],[24], chúng có thể hỗ trợ con ngƣời trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là những công việc nặng nhọc, những nơi con ngƣời khó có thể tới, cũng nhƣ những nơi nguy hiểm đến sức khỏe và tính mạng của con ngƣời. Một trong những loại robot đƣợc đầu tƣ nghiên cứu với những công nghệ tiên tiến và phát triển nhanh đó là các phƣơng tiện bay không ngƣời lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) hay còn đƣợc gọi là robot bay. UAV ban đầu đƣợc gọi là máy bay không ngƣời lái và xuất hiện lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất, chúng thực hiện các nhiệm vụ quân sự thuần túy, và kể từ đó UAV đã phát triển không ngừng cho những ứng dụng khác nhau [10],[37],[48],[61]. Ứng dụng ƣu tiên hàng đầu của UAV là sử dụng trong các hoạt động quân sự, nhƣ hoạt động trinh sát thu thập dữ liệu và quan sát kẻ thù [9],[12],[51], các hệ thống UAV đƣợc sử dụng trong các nhiệm vụ dân sự ở những vùng nguy hiểm hoặc ở những nơi khó khăn cho con ngƣời thực hiện các nhiệm vụ [39],[40],[60]. Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các UAV cũng đƣợc sử dụng trong một số nhiệm vụ điều tra tài nguyên khu vực, thu thập dữ liệu, quan sát núi lửa, dự báo thời tiết, giám sát các lãnh thổ tự trị và các hoạt động khác nhau [42],[46],[52]. Sự trải rộng các ứng dụng của hệ thống UAV đã làm tăng sự quan tâm nghiên cứu về UAV và làm cho lĩnh vực thiết kế và vận hành UAV là hƣớng phát triển năng động nhất trong ngành hàng không vũ trụ [29], [62]. UAV có các cấu hình khác nhau và hoạt động theo các kiểu khác nhau nhƣ máy bay cánh cố định, cánh xoay hoặc cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL
2 - Vertical Take-Off and Landing) với phân khúc phát triển nhanh chóng của tất cả các thị trƣờng UAV [11],[73],[74]. Ngoài ra, các hệ thống VTOL đóng góp chính trong các ứng dụng phi quân sự [39]. Bất kể chủng loại hay ứng dụng, ngày nay, xu hƣớng chuyển sang các hệ thống UAV với trọng lƣợng nhỏ hơn, linh hoạt hơn, ít tốn kém hơn và nhẹ hơn [13],[21],[34],[49], điều này dẫn đến sự xuất hiện và phát triển của các phƣơng tiện thu nhỏ trên không (MAV - micro air vehicle) và thậm chí là các UAV vi mô trong một số các dự án đƣợc gọi là µUAV [14]. Hơn nữa, các dự án UAV mới nhất triển khai các hệ thống nhiều UAV để thực hiện đƣợc nhiều nhiệm vụ phức tạp hơn và giám sát đƣợc khu vực hoạt động rộng hơn [45],[68]. Các hoạt động nhiều UAV đƣợc hƣởng lợi từ sự phát triển của công nghệ mới trong hệ thống dẫn đƣờng, hệ thống truyền thông và điều khiển. Việc thiết kế, chế tạo và vận hành một hệ thống UAV đƣợc kiểm soát bởi một số yếu tố nhƣ cơ học bay, phƣơng tiện đo, khả năng tính toán máy tính nhúng và những giới hạn vật lý của thiết bị [18]. Từ quan điểm nghiên cứu, tất cả các yếu tố và các khía cạnh khác của hệ thống UAV đƣợc phân tích và nghiên cứu với mục tiêu cuối cùng là nâng cao khả năng và tính ổn định của UAV, giảm thiểu các yêu cầu về năng lƣợng và đạt đƣợc tự động bay hoàn toàn [15],[42],[63]. Với việc số lƣợng các công trình nghiên cứu về các lĩnh vực của UAV tăng nhanh trong thời gian vừa qua, một số những thách thức và khó khăn của lĩnh vực này đã giải quyết đƣợc, tuy nhiên còn rất nhiều bài toán mở vẫn còn phải đối mặt, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển và dẫn đƣờng hệ thống UAV [29],[47],[62]. Hơn nữa, sự gia tăng của các UAV cỡ nhỏ (MAVs) mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu liên quan đặc biệt đến thiết kế và phát triển các hệ thống này do chúng giới hạn về kích thƣớc, trọng lƣợng và công suất của những chiếc UAV cỡ nhỏ [14].
3 Hiện nay, nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển cho thiết bị bay thƣờng tập trung vào nghiên cứu các vấn đề về điều khiển máy bay không ngƣời lái (UAV) nhƣ máy bay trực thăng, hex-rotor, quadrotor và tri-rotor vì các ứng dụng đa dạng của chúng, đặc biệt lĩnh vực quân sự nhằm nâng cao khả năng bay và độ ổn định bay khi thực hiện các nhiệm vụ bay khác nhau khi tính đến những yếu tố phi tuyến của mô hình cũng nhƣ tác động nhiễu [26],[38]. Bên cạnh đó, những yếu tố khác cũng cần phải tìm ra những giải pháp để vƣợt qua một số những bài toán phải đối mặt nhƣ kinh phí, năng lƣợng, khả năng mang tải [46]. Nhƣ phân tích trên, UAV có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên nhóm UAV lên xuống thẳng đứng có sự phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cả các ứng dụng quân sự và ứng dụng dân sự. Chính vì lý do này, trong luận án này lựa chọn mô hình UAV dạng tri-rotor để nghiên cứu với những lý do sau: 1. Lý do năng lượng: Giảm số động cơ cánh quạt (còn 03 động cơ) điều này sẽ tiết kiệm năng lƣợng [16],[61],[66]; 2. Định hướng của UAV: So sánh cấu trúc tri-rotor với cấu trúc quadrotor, sự định hƣớng của quadrotor nhanh chóng biến mất ở khoảng cách lớn do cấu trúc của nó là đối xứng. So với quadrotor, định hƣớng ba cánh là rõ ràng tốt hơn ở khoảng cách xa hơn; 3. Động lực học bay: Ƣu điểm chính của tri-rotor là nó có động lực bay nhƣ máy bay cánh cố định trong khi bay, trong khi một quadrotor hoạt động giống nhƣ một máy bay rotor đơn. Cấu trúc của tri-rotor cho phép cánh quạt chuyển đổi góc nghiêng để đạt đƣợc sự ổn định trong không gian của UAV, khả năng bay lƣợn, bay thẳng cơ động hơn và còn cất cánh thẳng đứng [67]; 4. Khả năng điều khiển góc xoay (yaw): Điều khiển góc yaw đƣợc sử dụng cho phép quay UAV xung quanh trục thẳng đứng. Góc nghiêng cho phép UAV thực hiện các phép quay nhanh hơn theo một tham chiếu cụ thể.