Ngày nay, máy bay không người lái rất phổ biến vì sự đa năng của mình. Chúng có thể được hoạt động trong các môi trường khác nhau, đặc biệt là những môi trường có hại và gây nguy hiểm cho con người. Dù vậy, nhược điểm của chúng là chi phí cao, hạn chế khối lượng nâng, khó kiểm soát và tự động cân bằng. Bài báo này tập trung vào việc tạo ra một mô hình toán học của quadcopter với tính chất đặc trưng của nó để giải quyết vấn đề tự cân bằng. Nghiên cứu xác định mô hình toán học của máy bay không người lái (UAV) sau đó kết hợp các giá trị đặc trưng của mô hình đã xây dựng vào mô hình mẫu. Phương trình dẫn xuất được sử dụng để xác định các tham số điều khiển của quadcopter. Nghiên cứu này tập trung để phát triển một hệ thống kiểm soát mạnh mẽ, tự ổn định và tiết kiệm chi phí bằng cách sử dụng các thành phần giá cả phải chăng. Một con quay hồi chuyển MPU6050, một bộ phát và bộ thu (ít nhất 4 đầu vào) được tích hợp vi điều khiển để phát triển hệ thống.

Ngược dòng lịch sử, máy bay không người lái được phát minh lần đầu tiên bởi Reginald Denny trong Thế giới thứ nhất. Vào thời điểm đó, để chế tạo UAV rất tốn kém. Sau đó, sự ra đời của con quay hồi chuyển cỡ nhỏ đã tạo động lực mới cho những nghiên cứu phát triển UAV. Tất cả các bộ phận, linh kiện cần thiết trong sản xuất và chế tạo UAV ngày nay đều có sẵn với chi phí thấp. Ngày nay, ứng dụng của quadcopters ngày càng rộng rãi, đặc biệt là cho các nhiệm vụ nguy hiểm như quan sát vùng đất nhiễm độc, cứu hỏa, cứu hộ và các công việc khác mà không cần con người can thiệp trực tiếp.

Công nghệ này giúp chúng ta tránh những thiệt hại nghiêm trọng. Tuy nhiên, hầu hết các tai nạn xảy ra trong tình huống cấp bách, khi mà những yếu tố bất ngờ có thể ảnh hưởng đến hoạt động của quadcopter. Do đó, mục đích chính của nghiên cứu là phát triển một quadcopter hiện đại với khả năng điều khiển tiên tiến dựa vào bộ điều khiển PID. Theo Abdelkhalek và cộng sự, sự ổn định của quadcopter được điều khiển bởi gia tốc góc cùng bộ điều khiển PD tạm gọi là PD-A. Họ đã so sánh nó với bộ điều khiển PD thông thường của quadcopters. Để chứng minh rằng quadcopter do PD-A điều khiển đạt hiệu quả tốt hơn, các nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm đã được thực hiện bằng cách sử dụng quadcopter một bậc tự do. Sau khi tiến hành so sánh trên Matlab SIMULINK, người ta kết luận PD-A có nhược điểm là làm giảm tốc độ, tuy nhiên, nó cũng giảm độ vọt lố, biên độ dao động và tần số. Nhiễu loạn được xử lý bởi PD thông thường kém hiểu quả hơn PD-A. Sự ổn định của một mẫu thử nghiệm với kết quả mô phỏng của một quadcopter đã được thảo luận trong một nghiên cứu trước đây.

Navabi và Mirzaei cũng đã thực hiện một thí nghiệm và thử nghiệm 2 phương pháp điều khiển để tối ưu khả năng điều khiển của quadcopters. Có một số phương pháp điều khiển, chẳng hạn như điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến tính SMC, điều khiển lùi bước 2, v.v. Tuy nhiên, công việc chủ yếu tập trung vào Phương trình Ricatti phụ thuộc trạng thái (SDRE) để điều khiển phi tuyến trong chuyến bay không giới hạn thời gian của quadcopter . Vì phương pháp này hoạt động như một hệ kín, nên nó phải được phản hồi liên tục. Vì vậy, kết quả là, nó đã được kết luận rằng cung cấp sự ổn định cho hệ thống. Ở thử nghiệm còn lại, Phương pháp điều chỉnh bậc hai tuyến tính (LQR) đã thất bại trong thử nghiệm nâng cấp khả năng kiểm soát và ổn định.

Ta cũng có một ý tưởng độc đáo khác của phương pháp kiểm soát đã được đề ra bởi Jing-Liang và cộng sự. Đầu tiên họ thiết kế một hệ thống kiểm soát độ cao của quadcopter với độ bất định không đáng kể bằng cách sử dụng SDRE. Tiếp đó, họ nghiên cứu phương pháp SMC để có được quadcopter mạnh mẽ và ổn định. Theo Jing-Liang et al. (2015), các ưu điểm của phương pháp điều khiển SMC và điều khiển SDRE đã được kết hợp cho ra quadcopter với bộ điều khiển hiện đại đảm bảo được sự ổn định.

Choi và Ahn đã thử nghiệm một phương pháp khác, đó là tuyến tính hóa phản hồi bước lùi để kiểm soát ổn định quadrotor. Lý thuyết dựa trên cơ sở của định lý Lyapunov. Theo báo cáo, quadcopter có ba bộ điều khiển phụ, chịu trách nhiệm kiểm soát tư thế, độ cao và cuối cùng là bộ điều khiển điểm. Theo các thí nghiệm thực nghiệm, quadcopter có thể cất cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và hạ cánh.

Hơn nữa, Santos và cộng sự đã đề xuất phương pháp tối ưu để tiết kiệm năng lượng và ổn định tư thế, vị trí của máy bay không người lái–quadrotor . Họ tối ưu mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình bay và cất cánh, tăng thời gian hiệu quả đạt được bằng cách kết hợp phương pháp LQR kết hợp với mô hình động lực học phi tuyến tính . Cuối cùng, báo cáo đã tính toán năng lượng đã tiết kiệm trên bộ điều khiển được tối ưu so với PD thông thường.

Bộ vi điều khiển có vai trò như bộ não của hệ thống, nó nhận dữ liệu từ con quay hồi chuyển, xử lý và gửi tín hiệu đến các động cơ trong vòng vài mili giây. Tất cả các chuyển động như tiến, lên cao và lệch hướng, cũng như bậc tự do đều đã được lập trình để thay đổi tương ứng với việc điều chỉnh các hệ số PID bằng công thức tích hợp .