Applied Control Systems 4: UAV: Quaternions + MPC + PID

Hệ Thống Điều Khiển Ứng Dụng 4: UAV: Quaternions + MPC + PID

Làm chủ điều khiển thái độ (attitude control) của UAV bằng quaternions, PID và MPC với code Python, tránh được hiện tượng khóa gimbal (gimbal lock)

5.0

(9 đánh giá)

89 học viên

Giảng viên

Mark Misin Engineering

Phụ đề Việt chất lượng cao Phụ đề tiếng Anh Bán chạy Đánh giá cao

50.000đ 1.299.000đ -96%

✓ Xem giỏ hàng và thanh toán

Bao gồm phụ đề tiếng Việt, tiếng Anh

11.0 giờ video

76 bài giảng

Truy cập vĩnh viễn

Học trên mọi thiết bị

Cập nhật: 07/10/2026

#Control Systems #Python #Robotics #Uav

Bạn sẽ học được gì

Nắm vững nền tảng toán quaternion trong việc biểu diễn thái độ (attitude) của vật thể trong không gian 3D

Học cách mô hình hóa toán học, vi phân và tích phân các hệ thống dựa trên quaternion

Tìm hiểu về giới hạn của góc Euler do khóa gimbal (Gimbal Lock) và cách khắc phục bằng quaternion

Ứng dụng biểu diễn quaternion trong thuật toán MPC và PID để điều khiển thái độ (attitude control) cho UAV bám quỹ đạo

Triển khai bộ điều khiển MPC và PID dựa trên quaternion bằng Python trong mô phỏng offline

Học cách chuyển đổi góc Euler sang quaternion và những thách thức liên quan

Yêu cầu

Hệ Thống Điều Khiển Ứng Dụng 1: ô tô tự hành: Toán + PID + MPC

Hệ Thống Điều Khiển Ứng Dụng 2: ô tô tự hành (bám 360 độ)

Hệ Thống Điều Khiển Ứng Dụng 3: drone UAV (Động lực học 3D & điều khiển)

Kỹ năng cơ bản về lập trình Python

Đối tượng phù hợp

Kỹ sư hệ thống điều khiển

Kỹ sư hàng không và cơ khí

Nội dung khóa học

6 phần • 76 bài giảng

1 Tổng quan khóa học

2 Ôn tập ma trận xoay + ánh xạ

3 Hệ quy chiếu quán tính cố định (fixed inertial frame) so với hệ quy chiếu vật thể di động (moving body frame)

4 Ôn tập ma trận chuyển đổi (Transfer matrices)

5 Khóa gimbal (Gimbal Lock)

6 Ma trận cosin chỉ hướng (Direction Cosine Matrix)

1 Cấu trúc quaternion + ký hiệu

2 Đại số quaternion + tích Hamilton (Hamilton product)

3 Quaternion trong phép xoay 3D

4 Suy luận ma trận xoay dựa trên quaternion

5 Đơn giản hóa ma trận xoay dựa trên quaternion

6 Kết nối quaternion với góc Euler 1

7 Kết nối quaternion với góc Euler 2

8 Kết nối quaternion với góc Euler 3

9 Ánh xạ vector giữa các hệ quy chiếu bằng quaternion - ví dụ

10 Chuyển đổi góc Euler sang quaternion

11 Trích xuất phép xoay 3D từ quaternion

12 Xem xét kỹ hơn về vector xoay (rotation vectors)

13 Kết hợp hai phép xoay bằng quaternion + giới thiệu quy ước nhân trái (left hand convention)

14 Nhân sau (Post) so với Nhân trước (Pre-multiplication) của quaternion và ma trận 1

15 Nhân sau (Post) so với Nhân trước (Pre-multiplication) của quaternion và ma trận 2

16 Biểu diễn quaternion bằng công thức Euler

17 Tính đạo hàm theo thời gian của quaternion

18 Tích phân quaternion 1

19 Tích phân quaternion 2

20 Góc Euler so với Quaternion - khóa gimbal 1

21 Góc Euler so với Quaternion - khóa gimbal 2: (giải thích code)

22 Nội suy: LERP và SLERP 1

23 Nội suy: LERP và SLERP 2

24 Nội suy: LERP và SLERP 3

25 Nội suy: LERP và SLERP 4 + log của quaternion

26 Hoạt ảnh LERP và SLERP 1

27 Hoạt ảnh LERP và SLERP 2

28 Hoạt ảnh LERP và SLERP 3

29 Những bước tiếp theo

1 Ôn tập động lực học tịnh tiến (translational dynamics) của UAV

2 Ôn tập động lực học quay (rotational dynamics) của UAV 1

3 Ôn tập động lực học quay (rotational dynamics) của UAV 2

4 Ôn tập cấu trúc điều khiển

5 Ôn tập bộ điều khiển PID

6 Thiết lập thời gian cho điều khiển thái độ (attitude control) PID

7 Chuyển đổi góc Euler tham chiếu sang quaternion tham chiếu

8 Tính toán quaternion sai lệch (error quaternions) 1

9 Tính toán quaternion sai lệch (error quaternions) 2

10 Trích xuất tín hiệu sai lệch + áp dụng PID (phương pháp xấu)

11 Áp dụng PID (phương pháp tốt)

1 MPC - ôn tập nhanh 1

2 MPC - ôn tập nhanh 2

3 MPC - ôn tập nhanh 3

4 MPC - ôn tập nhanh 4

5 MPC - ôn tập nhanh 5

6 MPC - ôn tập nhanh 6

7 Biểu diễn mô hình UAV (plant) bằng quaternion

8 MPC - điều khiển thái độ với quaternion (phương pháp tốt) 1

9 MPC - điều khiển thái độ với quaternion (phương pháp tốt) 2

10 MPC - điều khiển thái độ với quaternion (phương pháp tốt) 3

11 MPC - điều khiển thái độ với quaternion (phương pháp tốt) 4

12 Giới thiệu về phép chiếu vector (vector projections)

13 MPC - điều khiển thái độ với quaternion (phương pháp xấu)

1 Hướng dẫn cài đặt Python (Windows 11)

2 Tổng quan code

3 Hàm khởi tạo (init function) 1

4 Hàm khởi tạo (init function) 2

5 Hàm tạo quỹ đạo (trajectory generator function)

6 Hàm điều khiển vị trí (position control function)

7 Hàm điều khiển thái độ PID (Quaternions) 1

8 Hàm điều khiển thái độ PID (Quaternions) 2

9 Hàm điều khiển thái độ MPC (Quaternions) 1

10 Hàm điều khiển thái độ MPC (Quaternions) 2

11 So sánh hiệu suất bám quỹ đạo giữa MPC và PID (Quaternions)

12 Hàm mô phỏng UAV (plant function) (Quaternions)

13 File MAIN 1

14 File MAIN 2

15 File MAIN 3

16 Code Python

1 Bài giảng bonus

Giới thiệu khóa học

This course provides a comprehensive introduction to using quaternions for UAV (unmanned aerial vehicle) attitude representation and control, with a practical focus on implementing PID and Model Predictive Control (MPC) algorithms in Python. Ideal for engineers, robotics enthusiasts, and control systems students, this course demystifies quaternions, a powerful mathematical tool that resolves issues like Gimbal lock encountered with traditional Euler angles.

You will begin with fundamental concepts of quaternions, learning their algebra, derivatives, and integration techniques crucial for accurately modeling 3D rotational dynamics. The course emphasizes quaternion-based state representation and the benefits it offers in maintaining smooth and singularity-free attitude descriptions.

Building on this foundation, you will explore how to formulate and apply PID controllers on quaternion attitude errors to stabilize UAV orientations effectively. Furthermore, advanced control design using MPC will be covered, demonstrating how to incorporate quaternions into predictive control frameworks for enhanced performance in UAV attitude control.

All control algorithms and quaternion mathematics are implemented step-by-step in Python, with practical coding examples and guidance on simulation and real-time applications. This hands-on approach ensures you gain both theoretical understanding and practical programming skills.

Key highlights include:

Comprehensive study of quaternions vs Euler angles and how to avoid Gimbal lock
Mathematical modeling and numerical integration of quaternion-based systems
PID control design tailored for quaternion attitude errors
Model Predictive Control formulation with quaternions for UAVs
Python coding tutorials for control algorithms and simulations
Applications specifically focused on UAV attitude control systems

By the end of the course, students will be equipped to confidently model, simulate, and control UAV attitude dynamics using quaternions and advanced control methods, making it a perfect fit for professionals and students working in robotics, aerospace, and autonomous systems development.

This course is perfect for those interested in UAV control, robotics, aerospace engineering, nonlinear control, and Python programming for control systems.