Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV cánh bằng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

69
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển lái tự động (bộ điều khiển tổng hợp) cho UAV cánh bằng thực hiện nhiệm vụ chiến đấu. Bộ điều khiển lái tự động bao gồm “Bộ ổn định” và “Bộ điều khiển dẫn đường” bám quỹ đạo bay, chúng điều khiển UAV thực hiện các giai đoạn bay: Bay hành trình, cơ động công kı́ch mục tiêu di động và hạ cánh. Đây là những nghiên cứu lý thuyết bước đầu ứng dụng cho UAV cánh bằng và hướng tới cải tiến máy bay có người lái thành máy bay không người lái cảm tử tấn công mục tiêu trên biển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV cánh bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC LÂN XÂY DỰNG BỘ ỔN ĐỊNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO UAV CÁNH BẰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC LÂN XÂY DỰNG BỘ ỔN ĐỊNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO UAV CÁNH BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS-TS, Đại tá Nguyễn Vũ 2. TS, Thượng tá Hoàng Minh Đắc Hà Nội – 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Lê Ngọc Lân
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới hai thầy hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Vũ - Phó cục trưởng Cục Khoa học quân sự/BQP và TS Hoàng Minh Đắc - Trưởng phòng Thí nghiệm tên lửa - Viện Tên lửa đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất đề tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS và Viện Kỹ thuật PK-KQ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi từ cơ sở vật chất, trang thiết bị giúp tôi hoàn thành chương trình đào tạo và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình: bố mẹ, vợ và hai con gái đã tạo mọi điều kiện về thời gian, vật chất cũng như là nguồn lực tinh thần to lớn cho tôi vượt qua mọi khó khăn, tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO UAV CÁNH BẰNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH CƠ BẢN ........................................................................................................ 11 1.1. Các hệ tọa độ và phương trình lượng giác ................................................... 11 1.1.1. Các hệ tọa độ được sử dụng trong luận án................................................. 12 1.1.2. Các phương trình mô tả các quan hệ lượng giác ....................................... 13 1.2. Mô hình động học của UAV cánh bằng ........................................................ 17 1.2.1. Mô hình động học phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng......................... 18 1.2.2. Phương trình động học theo từng kênh cho UAV cánh bằng .................... 25 1.2.3. Các hệ số khí động và các hệ số quán tính của UAV ................................ 26 1.2.4. Các cơ cấu điều khiển của UAV cánh bằng .............................................. 28 1.3. Các giai đoạn bay và cấu trúc hệ thống điều khiển UAV chiến đấu.......... 29 1.3.1. Các giai đoạn bay thực hiện nhiệm vụ của UAV chiến đấu ...................... 29 1.3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển của UAV chiến đấu .................................... 30 1.4. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................... 31 1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 37 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ỔN ĐỊNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO UAV CÁNH BẰNG ...................................................... 39 2.1. Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho kênh dọc .................................. 39 2.1.1. Mô hình UAV sử dụng trong kênh dọc (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo), với điều kiện giả thiết β0, v0. ............................................. 39 2.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển (bám góc nghiêng quỹ đạo) ................................ 40 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho kênh ngang.............................. 48
iv 2.2.1. Mô hình UAV sử dụng trong kênh ngang (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng của UAV) ................................................................................................ 48 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển (bám góc nghiêng của UAV).............................. 49 2.3. Mô phỏng đánh giá bộ điều khiển được tổng hợp ....................................... 54 2.3.1. Mô phỏng bộ điều theo kênh dọc (bám góc nghiêng quỹ đạo) ................. 54 2.3.2. Mô phỏng bộ điều khiển theo kênh ngang (bám góc nghiêng) ................. 58 2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 61 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM QUỸ ĐẠO BAY THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CHO UAV CÁNH BẰNG ............................... 63 3.1. Xây dựng bộ tự động bám quỹ đạo hành trình cho UAV cánh bằng ........ 63 3.1.1. Hệ thống điều khiển bám đường quỹ đạo và thiết lập quỹ đạo ................. 64 3.1.2. Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo là đường thẳng ................... 65 3.1.3. Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo là đường cong .................... 70 3.1.4. Xây dựng bộ điều chỉnh tham số khoảng cách đích ảo ............................. 72 3.1.5. Thiết lập quỹ đạo và xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo trong không gian............................................................................................................. 74 3.1.6. Mô phỏng, đánh giá bộ tự động bám quỹ đạo ........................................... 76 3.2. Xây dựng luật dẫn công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV .......... 80 3.2.1. Xây dựng luật dẫn và quỹ đạo công kích mục tiêu di động trên biển ....... 80 3.2.2. Mô phỏng, đánh giá quá trình công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV .................................................................................................................... 86 3.3. Xây dựng bộ tự động hạ cánh cho UAV ....................................................... 95 3.3.1. Các giai đoạn hạ cánh và xây dựng quỹ đạo cơ động hạ cánh .................. 96 3.3.2. Xây dựng luật dẫn, điều khiển tự động bám quỹ đạo hạ cánh cho UAV .. 98 3.3.3. Mô phỏng, đánh giá quá trình tự động hạ cánh ....................................... 105 3.4. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 110 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MÔ HÌNH PHI TUYẾN ĐẦY ĐỦ CỦA UAV CÁNH BẰNG ............................................................................................... 111
v 4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng đô ̣ng ho ̣c phi tuyế n UAV trên Matlab- Simulink ................................................................................................................. 111 4.1.1. Cấu trúc chương trình mô phỏng động học phi tuyến đầy đủ của UAV . 112 4.1.2. Cấu trúc chương trình mô phỏng bộ điều khiển tổng hợp cho UAV ...... 114 4.2. Mô phỏng UAV thực hiện nhiệm vụ với các kịch bản khác nhau............ 117 4.2.1. Mô phỏng UAV bám quỹ đạo hành trình trong không gian 3D .............. 118 4.2.2. Mô phỏng quá trình bay hành trình sau đó công kích mu ̣c tiêu trên biể n di đô ̣ng sử du ̣ng đô ̣ cao thấ p ................................................................................... 120 4.2.3. Mô phỏng bay hành trình và bay về tự động hạ cánh .............................. 122 4.3. Xây dựng hệ thống mô phỏng UAV thực hiện nhiệm vụ .......................... 124 4.3.1. Xây dựng hệ thống mô phỏng UAV ........................................................ 124 4.3.2. Mô phỏng tổng thể UAV thực hiện nhiệm vụ trên hệ thống mô phỏng UAV125 4.4. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 130 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................... 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 134 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 138
vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x Vị trí không gian 3D của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ 1   y  mặt đất – 3D position of the body-fixed frame expressed in z   the Earth-fixed frame   Hướng của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ mặt đất, tương  2      ứng: góc nghiêng, góc chúc ngóc, góc hướng – Orientation of     the body-fixed frame expressed in the Earth-fixed frame Vị trí không gian 3D của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ     1 mặt đất và Hướng của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ mặt  2  đất (hệ tọa độ dẫn đường) Hệ tọa độ địa tâm (ECEF) – Earth-Centered Earth-Fixed FE (OE xE yE zE) Frame Hệ tọa độ quán tính cố định nằm ngang- Inertia reference Fi (Oi xi yi zi) frame FB (OB xB yB zB) Hệ tọa độ liên kết – Body-fixed frame FV (OV xV yV zV) Hệ tọa độ trung gian – Vehicle-carried vertical frame FS (OS xS yS zS) Hệ tọa độ ổn định – Stability frame Fw (Ow xw yw zw) Hệ tọa độ tốc độ – Wind frame Ff (Of xf yf zf) Hệ tọa độ tốc độ hành trình – Flight-path frame (Ff) Ce (Te), ev Sai số bám dọc và sai số bám ngang CD, CY, CL Hệ số lực cản dọc; hệ số lực cản ngang; hệ số lực nâng C D0 Hệ số lực cản chính diện khi α=0 CL Đạo hàm hệ số lực cản chính diện theo tấm giảm tốc f CD Đạo hàm hệ số lực cản chính diện theo góc cánh lái liệng a Đạo hàm hệ số lực cản chính diện theo góc cánh lái lên CD e xuống CD Đạo hàm hệ số lực cản chính diện theo góc cánh lái hướng r CY Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc β (hàm của M)
vii CY Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc cánh lái liệng a CY Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc cánh lái hướng r CYp Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo tốc độ góc nghiêng CYr Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo tốc độ góc hướng CL0 Hệ số lực nâng khi α=0 C L Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc α CL Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc tấm giảm tốc f CL Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc cánh lái lên xuống e C L Đạo hàm hệ số lực nâng theo tốc độ thay đổi góc α CLq Đạo hàm hệ số lực nâng theo tốc độ góc chúc ngóc Hệ số moment kênh nghiêng, hệ số moment chúc ngóc, hệ số Cl , C m , Cn moment kênh hướng Cl Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc β Cl Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc cánh lái liệng a Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc cánh lái Cl r hướng Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo tốc độ góc Cl p nghiêng C lr Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo tốc độ góc hướng C m0 Hệ số moment khí động chúc ngóc khi α=0,  e  0 . C m Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo góc α Cm Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo tấm giảm tốc f Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo góc cánh lái lên Cm e xuống C m  Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo tốc độ góc α Cmq Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo tốc độ góc chúc ngóc Cn Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc β
viii Cn Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc cánh lái liệng a Cn Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc cánh lái hướng r Cnp Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo tốc độ chúc ngóc C nr Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo tốc độ góc hướng D, Y, L Lực cản dọc, lực cản ngang, lực nâng e là hệ số thực nghiệm phụ thuộc dạng cánh, e, AR AR là hệ số dãn dài P Lực đẩy động cơ PPlane (xplane, yplane, Tọa độ của UAV trong hệ tọa độ dẫn đường zplane) , m, n Moment kênh nghiêng, moment ngóc, moment hướng m, Maircraft Trọng lượng của UAV M Số Mach Thành phần moment chúc ngóc theo góc α, thành phần M , Mq , M  e moment chúc ngóc theo tốc độ chúc ngóc, thành phần moment chúc ngóc theo góc cánh lái lên xuống S, b, c Diện tích cánh, sải cánh, dây cung khí động trung bình  Mật độ không khí Tốc độ góc nghiêng, tốc độ góc chúc ngóc, tốc độ góc hướng p, q, r trong hệ tọa độ liên kết u, v, w Tốc độ dọc, ngang và thẳng đứng trong hệ tọa độ liên kết Khoảng cách của tâm khí động, trọng tâm và tâm điểm đặt raero , rCG , r prop lực đẩy đến tâm O của hệ tọa độ liên kết φ, λ, h Lần lượt là vĩ độ, kinh độ, độ cao của UAV hd Độ cao mong muốn của UAV re=6378137m là bán kính trục chính của trái đất (qua xích re đạo) ε ε2=0.006694380004260827 là hệ số lệch tâm của trái đất
ix Va, α, β Tốc độ đối không, góc tấn và góc trượt cạnh Vadesired ( V ad ) Tốc độ đối không mong muốn Tốc độ đối không, tốc độ thẳng đứng, góc tấn, góc chúc ngóc VaTD , V zTD ,  TD , TD tại thời điểm tiếp đất Tốc độ hành trình, góc nghiêng quỹ đạo và góc hướng quỹ Vg, ,  đạo Tọa độ điểm hành trình thứ i và thứ i+1 trong hệ tọa độ dẫn Wi, Wi+1 đường Góc nghiêng quỹ đạo mong muốn, góc chúc ngóc mong d, d, d, d muốn, góc hướng quỹ đạo mong muốn và góc nghiêng mong muốn Góc nghiêng của đường quỹ đạo và góc hướng của đường f, f quỹ đạo ref, ref Góc nghiêng quỹ đạo tham chiếu và góc nghiêng tham chiếu d m ax Góc nghiêng mong muốn lớn nhất  t ,  runway Góc hướng mục tiêu, góc hướng đường băng Góc cánh lái liệng (Ailerons), góc cánh lái lên xuống a , e , r , t (Elevator), góc cánh lái hướng (Rudder), vị trí tay ga  f ,  leg ,  missile , Lần lượt là dấu hiệu khi thả cánh tà, thả càng, treo tên lửa,  break ,  Addfuel thả tấm giảm tốc, treo thùng dầu phụ atan2 Là hàm arctan2 được định nghĩa trong phụ lục D AP Bộ tự động lái – Autopilot BTT Nghiêng để vòng – Bank to turn LLA Hệ tọa độ kinh-vĩ – Latitude, longitude, altitude Frame Thành phần vector theo hướng Bắc, Đông, Dưới của hệ tọa NED độ địa lý – North, East, and Down components of n frame vector
x Thiết bị bay không người lái / máy bay không người lái – UAV Unmanned aircraft vehicle Thiết bị bay chiến đấu không người lái – Unmanned combat UCAV aircraft vehicle PTB Phương tiện bay STT Trượt để vòng – Skid to turn VTP Đích ảo – Virtual target point Hệ thống điều khiển tự động - Система автоматического CAУ управления
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Hệ tọa độ ECEF và hệ tọa độ dẫn đường ..................................................14 Hình 1.2. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ trung gian và hệ tọa độ liên kết ....................15 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ tốc độ ..............................16 Hình 1.4. Các mối liên hệ khi có gió ........................................................................17 Hình 1.5. Sơ đồ khối chức năng mô hình động học của UAV .................................18 Hình 1.6. Các giai đoạn thực hiện nhiệm vụ cho UAV ............................................29 Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển UAV ...................................30 Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc ổn định góc nghiêng ..........................................................32 Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc ổn định góc chúc ngóc ......................................................32 Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc ổn định góc hướng ..........................................................33 Hình 2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo ................................48 Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển bám góc nghiêng của UAV..............................53 Hình 2.3. Quỹ đạo của UAV khi thực hiện bám góc nghiêng quỹ đạo bước nhảy ..55 Hình 2.4. Đáp ứng của UAV khi thực hiện bám góc nghiêng quỹ đạo bước nhảy ..56 Hình 2.5. Quỹ đạo của UAV khi thực hiện bám góc nghiêng quỹ đạo hàm sine với chu kỳ T=60s biên độ 150. ........................................................................................56 Hình 2.6. Đáp ứng của UAV khi thực hiện bám góc nghiêng quỹ đạo hàm sine với chu kỳ T=60s biên độ 150. ........................................................................................57 Hình 2.7. Đáp ứng điều khiển bám góc nghiêng sử dụng bộ điều khiển Backstepping Va=600km/h .......................................................................................58 Hình 2.8. Đáp ứng điều khiển bám góc nghiêng sử dụng bộ điều khiển Backstepping Va=800km/h .......................................................................................59 Hình 2.9. Đáp ứng điều khiển bám góc nghiêng sử dụng bộ điều khiển Backstepping Va=900km/h .......................................................................................59 Hình 2.10. Đáp ứng tốc độ góc nghiêng và góc nghiêng trong chế độ ổn định góc nghiêng Va=600km/h sử dụng bộ CAУ-23 ...............................................................60
xii Hình 2.11. Đáp ứng tốc độ góc nghiêng và góc nghiêng trong chế độ ổn định góc nghiêng Va=800km/h sử dụng bộ CAУ-23 ...............................................................60 Hình 2.12. Đáp ứng tốc độ góc nghiêng và góc nghiêng trong chế độ ổn định góc nghiêng Va=900km/h sử dụng bộ CAУ-23 ...............................................................61 Hình 3.1. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống dẫn và điều khiển cho UAV.......................64 Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống dẫn theo kênh dọc và kênh ngang cho UAV ...................65 Hình 3.3. Xây dựng phương pháp dẫn bám theo điểm đích ảo trong không gian ....66 Hình 3.4. Xây dựng phương pháp bám theo VTP trong mặt phẳng thẳng đứng ......68 Hình 3.5. Xây dựng phương pháp bám theo VTP trong mặt phẳng ngang ..............69 Hình 3.6. Phương pháp dẫn theo đích ảo với quỹ đạo hình tròn ..............................70 Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống dẫn với bộ hiệu chỉnh tham số khoảng cách điểm đích ảo cho UAV ...................................................................................................................73 Hình 3.8. Xây dựng phương pháp dẫn bám kết hợp quỹ đạo thẳng và quỹ đạo tròn ...................................................................................................................................74 Hình 3.9. Quỹ đạo của UAV bám quỹ đạo đường thẳng trong không gian 3D........77 Hình 3.10. Các đáp ứng của UAV khi điều khiển bám theo quỹ đạo thẳng .............77 Hình 3.11. Quỹ đạo của UAV trong không gian 3D khi bám đường tròn nghiêng với kv bằng hằng số. ........................................................................................................78 Hình 3.12. Quỹ đạo của UAV trong không gian 3D khi bám đường tròn nghiêng sử dụng bộ hiệu chỉnh khoảng cách điểm đích ảo kv thay đổi theo hàm mũ. ................78 Hình 3.13. Một số đáp ứng của UAV khi bám đường tròn nghiêng sử dụng bộ hiệu chỉnh khoảng cách điểm đích ảo kv thay đổi theo hàm mũ. ......................................79 Hình 3.14. Mô tả hình học phương pháp dẫn bắn cho UAV ....................................81 Hình 3.15. Hình ảnh phương pháp dẫn công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV cảm tử sử dụng phương án bay ở độ cao thấp .................................................85 Hình 3.16. Quỹ đạo UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển .........88 Hình 3.17. Đáp ứng của UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển...89 Hình 3.18. Quỹ đạo UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương pháp dẫn đuổi ...............................................................................................90
xiii Hình 3.19. Đáp ứng của UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương pháp dẫn đuổi ......................................................................................91 Hình 3.20. Quỹ đạo UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương án bay ở độ cao thấp ....................................................................................92 Hình 3.21. Đáp ứng của UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương án bay ở độ cao thấp ...........................................................................93 Hình 3.22. Quỹ đạo UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương án bay ở độ cao thấp với mục tiêu chuyển động hướng 900 ........................94 Hình 3.23. Quỹ đạo UAV khi thực hiện tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng phương án bay ở độ cao thấp với mục tiêu chuyển động hướng 1800 ......................94 Hình 3.24. Sơ đồ quỹ đạo cơ động hạ cánh của UAV ..............................................97 Hình 3.25. Sơ đồ bám đường tầm hạ cánh chuẩn của UAV ...................................100 Hình 3.26. Sơ đồ bám đường hướng hạ cánh chuẩn của UAV ...............................101 Hình 3.27. Xây dựng quỹ đạo giai đoạn tiếp cận hạ cánh và hạ cánh trực tiếp ......102 Hình 3.28. Quỹ đạo chuyển động của UAV trong không gian 3D khi thực hiện tự động hạ cánh và trên mặt phẳng xOz (giai đoạn hạ cánh trực tiếp)........................106 Hình 3.29. Các tham số của UAV khi thực hiện tự động hạ cánh ..........................108 Hình 3.30. Quỹ đạo chuyển động của UAV trong không gian 3D khi thực hiện tự động hạ cánh và trên mặt phẳng xOz (theo hàm mũ) .............................................109 Hình 3.31. Tham số tốc độ thẳng đứng và vị trí UAV trên trục Oy giai đoạn tiếp đất của UAV khi thực hiện tự động hạ cánh theo hàm mũ ...........................................109 Hình 4.1. Sơ đồ khối cấu trúc chương trình mô phỏng UAV .................................111 Hình 4.2. Chương trình cấu trúc mô phỏng UAV sử dụng bộ tham số của MiG-21 trên Matlab-Simulink ..............................................................................................112 Hình 4.3. Sơ đồ khối cấu trúc tổng hợp mô hình UAV sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21 .............................................................................................................113 Hình 4.4. Sơ đồ khối cấu trúc mô hình UAV sử dụng bộ tham số của máy bay MiG- 21 trên Matlab-Simulink .........................................................................................113
xiv Hình 4.5. Sơ đồ khối cấu trúc bộ điều khiển tổng hợp cho UAV sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21 ...............................................................................................115 Hình 4.6. Sơ đồ khối cấu trúc bộ ổn định ứng dụng điều khiển Backstepping kênh dọc và kênh ngang ...................................................................................................115 Hình 4.7. Sơ đồ khối cấu trúc bộ điều khiển bám quỹ đạo hỗn hợp cho UAV ......116 Hình 4.8. Chuyển động của UAV bám quỹ đạo không gian 3 chiều được xây dựng từ tập hợp các điểm đặt ...........................................................................................118 Hình 4.9. Đáp ứng của UAV khi bám quỹ đạo không gian 3D được xây dựng từ tập hợp các điểm đặt .....................................................................................................119 Hình 4.10. Quỹ đạo UAV khi thực hiện bay hành trình và tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng độ cao thấp .................................................................................120 Hình 4.11. Đáp ứng của UAV khi thực hiện bay hành trình và tấn công mục tiêu di động trên biển sử dụng độ cao thấp ........................................................................121 Hình 4.12. Quỹ đạo chuyển động của UAV bay hành trình và bay về tự động hạ cánh .........................................................................................................................123 Hình 4.13. Các tham số đáp ứng của UAV khi thực hiện bay hành trình và bay về tự động hạ cánh ...........................................................................................................124 Hình 4.14. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống mô phỏng UAV ......................................125 Hình 4.15. Giao diện các chương trình hệ thống mô phỏng UAV .........................125 Hình 4.16. Quỹ đạo UAV trên bản đồ dẫn đường khi thực hiện bay hành trình và về hạ cánh tại thời điểm sau khi bắt đầu mô phỏng 30s, 150s, 300s và 600s..............127 Hình 4.17. Hình ảnh toàn cảnh của UAV thực hiện hạ cánh tại thời điểm tiếp đất127 Hình 4.18. Tham số trên bảng đồng hồ của UAV thực hiện hạ cánh tại thời điểm tiếp đất .....................................................................................................................128 Hình 4.19. Tham số trên giao diện chương trình mô phỏng Matlab-Simulink của UAV khi thực hiện hạ cánh tại thời điểm tiếp đất ..................................................128 Hình 4.20. Tham số đáp ứng của UAV khi thực hiện bay hành trình và quay về hạ cánh .........................................................................................................................129
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Kỹ thuật quân sự thế giới trong những thập kỷ qua có nhiều phát triển mạnh mẽ cho ra đời nhiều loại vũ khí, trang bị tự động và thông minh; điều đó dẫn tới xu hướng chiến tranh hiện đại đang hạn chế dần sự có mặt của con người trong tham gia trực tiếp chiến đấu. Các vũ khí, trang bị có người điều khiển đã được thay thế bằng tên lửa hành trình, các robot chiến trường, các máy bay không người lái (UAV)... để hạn chế tối đa thương vong và tăng khả năng tác chiến. Nga, Israel và Hoa Kỳ là những nước tiên phong trong công nghệ và hoạt động của UAV. Các UAV hiện đại đó có khả năng bay ở độ cao lớn, khoảng cách hoạt động xa và đặc biệt có khả năng mang theo các loại vũ khí tấn công hiện đại. Để đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ bảo vệ toàn vẹn chủ quyền lãnh thổ vùng trời, vùng biển của Tổ quốc trong giai đoạn hiện nay; nhu cầu sử dụng UAV cỡ lớn, có khả năng mang phương tiện trinh sát, sát thương hiện đại tiệm cận với các UAV của các nước tiên tiến có thể thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu của quân đội ngày càng cần thiết. Trong khi, chương trình UAV của Việt Nam đang ở giai đoạn sơ khai, khả năng phát triển UAV của ta còn hạn chế do tiềm lực công nghệ, đặc biệt là công nghệ hàng không và hệ thống các ngành công nghệ phụ trợ khác còn thấp. Các UAV của chúng ta hiện nay mới phát triển sử dụng làm mục tiêu bay, thực hiện trinh sát chụp ảnh và một số ứng dụng khác…, chúng chưa đáp đủ ứng yêu cầu được các nhiệm vụ tác chiến trong tình hình mới. Tuy nhiên, các máy bay chiến đấu cũ của quân đội ta có thể đảm nhận những nhiệm vụ quan trọng, phức tạp, đặc thù với vai trò một UAV chiến đấu hiện đại khi được thực hiện cải hoán phù hợp. Do đó vấn đề thiết kế, chế tạo, cải tạo các phương tiện bay thành các phương tiện bay không người lái (UAV) vào nhiệm vụ bảo vệ vùng trời, vùng biển là một nhiệm vụ cấp thiết đang được nhiều sự quan tâm của quân đội ta. Việc nghiên cứu hoán cải các máy bay không còn sử dụng với mục đích có người lái thành các UAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt sẽ mang lại cho không quân ta một loại vũ khí, trang bị mới đảm nhận được các nhiệm vụ trong các tình huống đặc biệt.
2 Với mục tiêu sử dụng các máy bay chiến đấu cũng như các UAV cánh bằng (trong luận án viết gọn là UAV) vào các nhiệm vụ chiến đấu của quân đội, đặt ra cần nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển tự động thực hiện chuyến bay thực hiện nhiệm vụ cho UAV, từ đó áp dụng kết quả nghiên cứu vào nhiệm vụ hoán cải máy bay chiến đấu thành các UCAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt: công kích (cảm tử lao vào) mục tiêu di động trên biển, mặt đất… Vấn đề nghiên cứu hoán cải các máy bay chiến đấu cũ không còn sử dụng với mục đích có người lái thành các UCAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt ở nước ta hiện nay chưa có nghiên cứu nào; trên thế giới đã có thông tin một số nước đã và đang tiến hành hoán cải, thử nghiệm thành công ở các nước như Mỹ [22], [25], [39]. Hoán cải máy bay chiến đấu cũ thành UAV để thực hiện các nhiệm vụ tác chiến sẽ mang lại cho không quân ta một loại vũ khí, trang bị mới, khác biệt đảm nhận được các nhiệm vụ đặc biệt trong các tình huống đặc biệt. Do đó có thể khẳng định hướng nghiên cứu hoán cải các máy bay chiến đấu cũ thành các UAV chiến đấu thực hiện nhiệm vụ đặc biệt là hướng nghiên cứu mới có tính thực tế và cấp thiết. Để thực hiện nhiệm vụ sử dụng các UAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu (áp dụng kết quả nghiên cứu vào việc hoán cải máy bay chiến đấu cũ thành UCAV), ví dụ như công kích mục tiêu trên biển, cần đảm bảo UAV tự động thực hiện đầy đủ các giai đoạn bay chiến đấu: cất cánh, bay hành trình, cơ động công kích mục tiêu trên biển và hạ cánh. Do đó trong luận án đặt ra nội dung cần thực hiện là: xây dựng các “luật dẫn điều khiển bám quỹ đạo” thực hiện nhiệm vụ cho UAV (điều khiển dẫn bám quỹ đạo bay hành trình thực hiện nhiệm vụ, luật dẫn thực hiện công kích mục tiêu di động trên biển, luật dẫn UAV thực hiện cơ động hạ cánh và hạ cánh trực tiếp trong kênh chuyển động dọc); đồng thời cần xây dựng “Bộ ổn định” đảm nhiệm điều khiển bám tham số dẫn theo kênh dọc và kênh ngang là thành phần đưa ra các lệnh điều khiển các cánh lái và cơ cấu chấp hành cho UAV. Bộ ổn định có vai trò là bộ điều khiển vòng trong cho các luật dẫn điều khiển bám quỹ đạo vòng ngoài. Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng kiểm chứng trên hệ thống mô
3 phỏng UAV sử dụng các tham số mô hình máy bay MiG-21. Để giải quyết nội dung nghiên cứu đặt ra trên, luận án đi theo cách tiếp cận như sau: - Nghiên cứu về phương tiện bay cánh bằng và các tài liệu kỹ thuật của máy bay chiến đấu để xây dựng mô hình động học đầy đủ của UAV và mô hình rút gọn phục vụ cho việc tổng hợp “Bộ ổn định” theo phương pháp Backstepping. - Trên cơ sở mô hình động học được xây dựng ở trên, tổng hợp “Bộ ổn định” thực hiện vai trò điều khiển bám tham số dẫn đường (tham số quỹ đạo) theo kênh dọc và kênh ngang trên cơ sở thuật toán điều khiển Backstepping. Bộ ổn định này sẽ là bộ điều khiển vòng trong điều khiển các cánh lái của UAV giúp UAV bám theo (đạt được) các tham số đặt, với các tham số đặt là các tham số dẫn đường được tính toán từ các bộ điều khiển dẫn bám vòng ngoài có vai trò điều khiển UAV bám các quỹ đạo hỗn hợp khi bay thực hiện nhiệm vụ. - Nghiên cứu xây dựng một số luật dẫn bám quỹ đạo bay hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ: quỹ đạo hành trình và xây dựng luật dẫn bám quỹ đạo hành trình sử dụng phương pháp bám theo điểm đích ảo VTP; xây dựng các luật dẫn để thực hiện bám các quỹ đạo cơ động đặc thù (thực hiện nhiệm vụ công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV, quay về sân bay hạ cánh và thực hiện tự động hạ cánh trực tiếp). Các luật dẫn này tạo thành “Bộ điều khiển dẫn đường” bám quỹ đạo bay hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ với vai trò là bộ điều khiển vòng ngoài có tham số đầu ra là tham số đặt cho “Bộ ổn định” được tổng hợp ở trên. - Xây dựng chương trình mô phỏng động học phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng, trong đó các tham số mô hình sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21. Chương trình mô phỏng này kết hợp với các chương trình mô phỏng của các buồng tập lái máy bay tạo thành “Hệ thống mô phỏng UAV” đảm bảo khảo sát, đánh giá các thuật toán điều khiển tổng hợp được một cách trực quan, đầy đủ. Với cách tiếp cận như vậy, luận án sẽ đề cập chính đến xây dựng “bộ ổn định” và “thuật toán điều khiển bám quỹ đạo” (các luật dẫn đường điều khiển bám quỹ đạo) hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ công kích mục tiêu di động trên biển cho
4 UAV. Các luật dẫn đó sẽ thực hiện điều khiển UAV bám quỹ đạo thông qua bộ ổn định (được tổng hợp theo phương pháp Backstepping), bộ ổn định có nhiệm vụ điều khiển bám các tham số dẫn được tính toán từ các luật dẫn đường trên. Các luật dẫn đường nêu trên và bộ ổn định sẽ được thực hiện khảo sát, kiểm chứng trên hệ thống mô phỏng UAV (hệ thống mô phỏng chuyến bay cho UAV) được xây dựng trên Matlab-Simulink. Hệ thống mô phỏng UAV được thực hiện với mô hình phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21. 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển lái tự động (bộ điều khiển tổng hợp) cho UAV cánh bằng thực hiện nhiệm vụ chiến đấu. Bộ điều khiển lái tự động bao gồm “Bộ ổn định” và “Bộ điều khiển dẫn đường” bám quỹ đạo bay, chúng điều khiển UAV thực hiện các giai đoạn bay: bay hành trình, cơ đô ̣ng công kı́ch mu ̣c tiêu di đô ̣ng và hạ cánh (để thu hồi khi cần thiết). Đây là những nghiên cứu lý thuyết bước đầu ứng dụng cho UAV cánh bằng và hướng tới cải tiến máy bay có người lái thành máy bay không người lái cảm tử tấn công mục tiêu trên biển. b. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu về UAV cánh bằng, phương pháp điều khiển bám quỹ đạo bay hỗn hợp cho UAV để đảm bảo UAV có thể tự động thực hiện nhiệm vụ chiến đấu. Kết quả nghiên cứu ứng dụng để cải hoán các máy bay chiến đấu không còn đủ điều kiện phục bay có ngưới lái thành những UCAV cảm tử thực hiện một số nhiệm vụ bay cơ động chiến đấu đă ̣c biê ̣t: cơ đô ̣ng công kıć h mu ̣c tiêu di đô ̣ng trên biể n... c. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án: Xây dựng mô hıǹ h và chương trình mô phỏng của UAV và các phương tiện bay cánh bằng; các thuật toán dẫn đường theo các quỹ đạo hành trình thực hiện nhiệm vụ trong không gian 3D; nghiên cứu và xây dựng các phương pháp hạ cánh và công kích mục tiêu di động; nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm tổng hợp bộ ổn định cho UAV. Các nghiên cứu của luận án được xây dựng trên phương diện lý thuyết áp