Quadcopter bay lên, nghiêng và xoay ra sao?

• Drone nhìn từ trên
• Hướng ngang trong mặt phẳng hình
• Hướng dọc trong mặt phẳng hình

Bạn sẽ học được gì

• Phân biệt tổng lực nâng với chênh lệch lực dùng để điều khiển hướng.
• Theo dõi cách một yêu cầu chuyển động thành tốc độ rotor khác nhau.
• Giải thích vì sao thả cần trong Position không giống chế độ chỉ giữ tư thế.

Cần biết trước

Không cần kiến thức bay; chỉ cần hình dung rằng lực tổng hợp quyết định chuyển động của cả thân drone.

Tổng lực đẩy làm drone lên cao thế nào?

Các rotor quay cánh quạt, gia tốc luồng khí xuống dưới và nhận phản lực hướng lên. Khi tổng lực đẩy hướng lên bằng trọng lượng, drone có thể giữ độ cao trong điều kiện lý tưởng; lực đẩy lớn hơn trọng lượng tạo gia tốc lên, còn lực nhỏ hơn làm nó gia tốc xuống. Vì vậy “tăng ga” tạo thay đổi lực trước, chứ không phải một lệnh độ cao tự động.

Lực đẩy không chỉ là tốc độ quay. Cánh quạt tác động lên khối khí đi qua đĩa quạt; NASA mô tả lực trên đĩa phụ thuộc thay đổi áp suất và diện tích, còn mô hình động lượng liên hệ lực đẩy với khối lượng không khí và mức đổi vận tốc. Hình dạng cánh, không khí và tải đều ảnh hưởng kết quả. Cùng một lệnh động cơ vì thế không bảo đảm cùng độ cao trong mọi tình huống.

Chênh lệch lực làm khung nghiêng ra sao?

Muốn nghiêng, bộ điều khiển tạo chênh lệch lực giữa các rotor nằm ở những phía đối nhau. Chẳng hạn, trong mô hình minh họa này, tăng lực ở phía trái và giảm tương ứng ở phía phải tạo mô-men lăn sang phải. Khung nghiêng thì hướng của tổng lực đẩy cũng nghiêng; một phần lực lúc đó kéo drone sang ngang. Đó là lý do drone thường nghiêng trước khi dịch chuyển ngang.

Đây là một ví dụ hình học, không phải sơ đồ động cơ cố định cho mọi khung. Vị trí từng rotor và trục cơ thể quyết định tổ hợp nào gây lăn hay chúi. PX4 dùng cấu hình hình học và ánh xạ đầu ra để biến mô-men cùng lực đẩy mong muốn thành tín hiệu cơ cấu chấp hành; control allocation là bước tính lệnh phù hợp với cấu hình ấy.

Chênh lệch mô-men làm drone quay hướng thế nào?

Mỗi cánh quạt khi quay tạo mô-men phản lực lên thân. Bố trí hai rotor quay theo chiều kim đồng hồ và hai rotor ngược chiều giúp các mô-men triệt tiêu khi lực của các nhóm cân bằng. Để quay quanh trục đứng, bộ điều khiển tăng lực của một nhóm quay và giảm lực nhóm kia: phần mô-men không còn triệt tiêu sẽ làm thân quay. Đây là yaw, tức đổi hướng mũi drone mà không cần nghiêng để đi ngang.

Ba yêu cầu — tăng tổng lực, tạo chênh lệch ở hai phía và tạo chênh lệch giữa hai chiều quay — có thể xảy ra cùng lúc. Bộ phân bổ phải tìm tổ hợp gần yêu cầu nhất trong giới hạn motor, khung và cấu hình. Khi một motor chạm giới hạn, không phải mọi mô-men đều còn thực hiện được như yêu cầu.

Một lệnh sang phải đi qua hệ thống thế nào?

Giả sử trong mô phỏng người học yêu cầu dịch sang phải khi đang giữ độ cao. Bộ điều khiển vị trí chuyển yêu cầu ngang thành gia tốc mong muốn; bộ điều khiển tư thế yêu cầu một góc nghiêng; bộ điều khiển tốc độ góc yêu cầu mô-men; control allocation chuyển các yêu cầu đó thành mức lực riêng cho từng rotor. Khi thân nghiêng, lực tổng hợp có thành phần ngang và drone bắt đầu trôi sang phải.

Khi đạt vận tốc mục tiêu, hệ thống có thể giảm độ nghiêng để không tiếp tục tăng tốc. Muốn dừng, nó cần nghiêng theo hướng ngược lại, giảm vận tốc, rồi trở về tư thế gần thẳng đứng. Đây là một chuỗi phản hồi liên tục, không phải một lần “bật” motor bên này. Tên và chi tiết từng tầng phụ thuộc flight stack và chế độ điều khiển.

Position khác giữ tư thế ở điểm nào?

Position dùng ước lượng vị trí và vận tốc để điều khiển drone giảm trôi rồi giữ vị trí ba chiều khi cần điều khiển trở về trung tâm. Giữ tư thế đơn thuần chỉ làm thân hướng về góc mong muốn; gió vẫn có thể đẩy cả drone đi nếu không có vòng vị trí bù lại. Tên chế độ và điều kiện cần như dữ liệu định vị tùy flight stack; tài liệu PX4 mô tả hành vi riêng cho từng chế độ.

Ví dụ trong mô phỏng

Tình huống minh họa được đề xuất, không phải kết quả đo. Cho một quadcopter ảo đứng yên, xem đồ thị lực tổng và lực từng rotor. Khi tăng đều lực cả bốn rotor, mô hình cho thấy thay đổi chuyển động theo phương đứng. Sau đó tạo chênh lệch trái–phải để quan sát góc lăn và gia tốc ngang; cuối cùng tạo chênh lệch giữa hai nhóm quay ngược chiều để quan sát yaw. Kết quả cần đọc ở ba tín hiệu riêng: độ cao, góc nghiêng và hướng mũi. Không nên suy ra một mức lệnh cụ thể áp dụng cho phần cứng thật.

Hiểu lầm thường gặp

Nghiêng sang phải tự nó làm drone dịch phải ngay. Nghiêng đổi hướng lực tổng; chuyển động ngang còn phụ thuộc gia tốc và vận tốc đang có. Tất cả rotor quay cùng chiều để nâng. Hai chiều quay ngược nhau giúp cân bằng phản lực yaw trong khi cánh quạt được chọn để đẩy khí cùng chiều.

Câu hỏi thường gặp

Drone cần gì để bay lên thay vì chỉ giữ độ cao?

Tổng lực đẩy hướng lên phải lớn hơn trọng lượng để tạo gia tốc lên; khi hai lực cân bằng, gia tốc đứng bằng không trong mô hình lý tưởng.

Vì sao cần đổi lực giữa các rotor?

Chênh lệch lực theo vị trí tạo mô-men lăn hoặc chúi, làm khung nghiêng và hướng lực đẩy sang ngang.

Tại sao hai nhóm rotor quay ngược chiều?

Khi mô-men phản lực của hai nhóm cân bằng, thân ít bị tự quay; thay đổi cân bằng đó tạo lệnh yaw.

Position có giữ độ cao và vị trí giống nhau ở mọi drone không?

Không. Hành vi phụ thuộc flight stack, ước lượng trạng thái và chế độ cụ thể; cần xác nhận hành vi trên đúng cấu hình.

Tóm tắt

Tổng lực đẩy điều khiển gia tốc đứng; phân bố lực theo vị trí tạo lăn/chúi; chênh lệch mô-men giữa hai chiều quay tạo yaw. Khi nghiêng, tổng lực hướng nghiêng cũng tạo gia tốc ngang. Position bổ sung phản hồi vị trí để giảm trôi, điều mà một vòng giữ tư thế không tự làm.