Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo và bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV cánh bằng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo và bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV cánh bằng" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu về động học của vòng điều khiển bám quỹ đạo và các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo đã được áp dụng để xây dựng thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV sử dụng chế độ trượt; Nghiên cứu khả năng bám mục tiêu mặt đất của UAV với các mục tiêu có vận tốc khác nhau để đề xuất giải pháp bám mục tiêu di động có vận tốc thay đổi.

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 điều khiển quỹ đạo và bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV cánh bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM THỊ PHƯƠNG ANH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO VÀ BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG MẶT ĐẤT CHO UAV CÁNH BẰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM THỊ PHƯƠNG ANH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO VÀ BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG MẶT ĐẤT CHO UAV CÁNH BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Mã số : 9 52 02 16. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS Nguyễn Vũ 2. TS Phan Tương Lai HÀ NỘI - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trình bày nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Nghiên cứu sinh Phạm Thị Phương Anh
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Vũ, người hướng dẫn khoa học chính và TS Phan Tương Lai người hướng dẫn thứ hai, đã tận tình hướng dẫn, chỉ ra những nội dung cần giải quyết và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, chỉ huy Viện Tự động hóa KTQS và các đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện, động viên, quan tâm và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cùng tập thể Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã luôn thông cảm, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Phạm Thị Phương Anh
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT………………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………………………………….. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………………. xi MỞ ĐẦU………………………………………………………………....... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV……….. 6 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV…………………………….. 6 1.2. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay………………….. 8 1.3. Phương trình động học điều khiển quỹ đạo của UAV…………........... 10 1.4. Điều khiển quỹ đạo của UAV………………………………………… 17 1.4.1. Thuật toán bám theo điểm ngắm ảo………………………………… 19 1.4.2. Thuật toán điều khiển quỹ đạo phi tuyến……………………………. 20 1.4.3. Thuật toán bám theo đường dựa trên luật ngắm thẳng vào đích đến và dẫn theo đường ngắm của quỹ đạo……………………………… 20 1.4.4. Luật điều khiển quỹ đạo tựa theo trường véc tơ………………........ 21 1.4.5. Luật điều khiển dựa trên bộ điều chỉnh tuyến tính toàn phương LQR………. 22 1.5. Hệ thống đo lường trên UAV…………………………………………. 24 1.5.1. Hệ cảm biến đo các trạng thái dịch chuyển………………………….. 24 1.5.2. Hệ thống cảm biến đo tư thế UAV………………………………… 26 1.5.3. Tích hợp các hệ thống cảm biến…………………………………… 29 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước………….. 32 1.6.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước………………….…… 32 1.6.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước………………….…….. 32 1.7. Đặt vấn đề nghiên cứu……………………………………………........ 34 Kết luận chương 1………………………………………………………….. 35 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO UAV…………………………………………………………………. 36
iv 2.1. Sơ lược về chế độ trượt……………………………………………....... 36 2.1.1. Tổng hợp bộ điều khiển hoạt động trong chế độ trượt………………. 38 2.1.2. Điều kiện tồn tại chế độ trượt………………………………………... 39 2.1.3. Hiện tượng chattering trong chế độ trượt……………………………. 41 2.1.4. Bài toán bám quỹ đạo sử dụng chế độ trượt…………………………. 42 2.2. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính…………………... 43 2.2.1. Thuật toán xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo cần bám……………………………………………... 43 2.2.2. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính theo khoảng cách…. 45 2.2.3. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính hỗn hợp………. 51 2.3. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt phi tuyến theo hàm lượng giác.. 59 2.3.1. Lựa chọn mặt trượt………………………………………………....... 59 2.3.2. Luật điều khiển tương đương……………………………………....... 61 2.3.3. Sự ổn định của chế độ trượt………………………………………….. 62 2.3.4. Mô phỏng đánh giá thuật toán……………………………………….. 62 2.4. Thuật toán dẫn đường với mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin…. 66 2.4.1. Quỹ đạo Dubin………………………………………………………. 66 2.4.2. Xây dựng chế độ trượt……………………………………………….. 68 2.4.3. Mô phỏng đánh giá thuật toán……………………………………….. 73 2.5. Thuật toán bám theo đường cong trong hệ tọa độ Serret-Frenet…......... 77 2.5.1. Hệ tọa độ Serret-Frenet……………………………………………… 77 2.5.2. Xác định tọa độ UAV trọng hệ tọa S-F……………………………… 79 2.5.3. Xây dựng thuật toán dẫn đường bám quỹ đạo trong hệ tọa độ SF... 80 2.5.4. Đánh giá thuật toán…………………………………………………... 84 Kết luận chương 2………………………………………………………….. 85 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM MỤC TIÊU MẶT ĐẤT DI ĐỘNG CHO UAV………………… 87
v 3.1. Xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu…………… 89 3.1.1. Mô hình Camera và hệ tọa độ Camera………………………………. 90 3.1.2. Xác định tọa độ mục tiêu từ hệ tọa độ của camera…………………... 91 3.2. Bám sát mục tiêu di động theo chế độ quay quanh mục tiêu (chế độ loitering)… 98 3.3. Chế độ bám theo đường quỹ đạo động kép……………………………. 106 3.3.1. Thời gian quá độ trong chế độ điều khiển dẫn đường sử dụng chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến theo quỹ đạo Dubin………………… 106 3.3.2. Quỹ đạo kép trong bài toán hộ tống mục tiêu……………………….. 108 3.3.3. Sai số bám trong chế độ hộ tống sử dụng quỹ đạo kép……………… 114 3.3.4. Mô phỏng chế độ bám theo mục tiêu di động mặt đất theo chế độ hộ tống …. 116 3.4. Lưu đồ thuật toán khối tạo nhiệm vụ bay…………………………....... 120 Kết luận chương 3………………………………………………………….. 124 KẾT LUẬN………………………………………………………………... 125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ……... 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………... 128
vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a x , a y , az Gia tốc theo các trục x, y , z  m s 2  m Khối lượng máy bay  m  p, q, r Tốc độ góc của các trục hệ tọa độ gắn liền  rad s  FE  OE xE yE z E  Hệ tọa độ địa tâm (ECEF) (Earth-Centered Earth- Fixed Frame) Fi  Oi xi yi zi  Hệ tọa độ quán tính cố định nằm ngang- Inertia reference frame FB OBxByBzB  Hệ tọa độ liên kết (Body-fixed frame) F  Fx , Fy , Fz  Véc tơ lực tác động lên UAV g gia tốc trọng trường  m s 2  g ( g x ,g y , g z ), P  mg Véc tơ gia tốc trọng trường và véc tơ lực trọng trường, M  N , M , L Véc tơ momen khí động P Trọng lực  m s 2  R bán kính quay  m  ye sai số bám ngang  m  xu , yu , zu Tọa độ của UAV trong hệ tọa độ dẫn đường u, v, w Vận tốc UAV theo các trục trong hệ tọa độ gắn liền vu , vw Vận tốc UAV và vận tốc mục tiêu v g , vg Véc tơ địa tốc và giá trị véc tơ địa tốc, v a , va Véc tơ không tốc và giá trị véc tơ không tốc, v w , vw Véc tơ gió và giá trị véc tơ gió,
vii   Hướng của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ mặt đất,  2      tương ứng: góc nghiêng, góc chúc ngóc, góc hướng     (Orientation of the body-fixed frame expressed in the Earth-fixed frame) a , e , r , t Góc cánh lái liệng (Ailerons), góc cánh lái lên xuống (Elevator), góc cánh lái hướng (Rudder), vị trí tay ga  p , , d Góc đường quỹ đạo, góc hướng của UAV và góc hướng mong muốn của UAV. u , Góc đường nối điểm gốc đến UAV, góc đường nối từ tâm đến UAV GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) IMU Cảm biến góc quay và cảm biến gia tốc (Inertial Measurement Unit) NED Thành phần vector theo hướng Bắc, Đông, Dưới của hệ tọa độ địa lý – North, East, and Down components of n frame vector MIMO Hệ thống nhiều đầu ra nhiều đầu vào (Multiple Input – Multiple Output) SF Hệ tọa độ Serret-Frenet SISO Hệ thống 1 đầu ra 1 đầu vào (Single Input –Single Output) UAV Thiết bị bay không người lái – Unmanned aircraft vehicle VTP Đích ảo – Virtual target point
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Bảng số liệu tính sai số tối đa khi bám theo chế độ hộ tống..... 116
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV. …………. 6 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV với các vecto trạng thái và vecto điều khiển…………………………… 9 Hình 1.3 Mô tả một số tham số của mô hình……………………………. 11 Hình 1.4 Tham số của mô hình trong chế độ bám đường quỹ đạo thẳng .. 12 Hình 1.5 Mô tả tham số của mô hình trong chế độ bám đường quỹ đạo tròn…... 12 Hình 1.6 Thành phần lực nâng trong chế độ nghiêng cánh ……………... 15 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quỹ đạo theo kênh ngang ... 18 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quỹ đạo theo kênh dọc ….. 18 Hình 1.9 (a) UAV bám theo quỹ đạo đường thẳng; (b) UAV bám theo quỹ đạo tròn bán kính r……………………………………….... 19 Hình 1.10 (a) Xác định điểm S theo thuật toán phi tuyến; (b) Sơ đồ mô tả luật ngắm thẳng và dẫn theo đường ngắm…………………….. 20 Hình 1.11 Bộ ước lượng trạng thái…………………................................. 30 Hình 2.1 Sơ đồ xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo đường thẳng…………………………………... 43 Hình 2.2 Sơ đồ xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV ……... 44 Hình 2.3 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  200;0  ………. 48 Hình 2.4 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;0  ………….. 49 Hình 2.5 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;  6  ……. 50 Hình 2.6 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;  6  ……... 50 Hình 2.7 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  200; 2  ……. 51 Hình 2.8 Mô phỏng mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  200;0  ……. 56
x Hình 2.9 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  600;0  ……. 56 Hình 2.10 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp có điều kiện  600;  6  .. 57 Hình 2.11 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp điều kiện  600;  6  …. 58 Hình 2.12 Mô phỏng mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  200;  2  …… 59 Hình 2.13 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  200;0  ……… 63 Hình 2.14 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600;0  ……... 63 Hình 2.15 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600;  6  …... 64 Hình 2.16 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600; 6 …... 65 Hình 2.17 Kết quả mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  200; 2  ……… 65 Hình 2.18 Minh họa quỹ đạo Dubin ……………………….…………… 67 Hình 2.19 Minh họa quỹ đạo Dubin tiếp cận đường quỹ đạo…………… 68 Hình 2.20 Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo Dubin………………………... 68 Hình 2.21 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến Dubin với điều kiện  200;0  ………… 74 Hình 2.22 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến Dubin với điều kiện  600;0  ……... 74 Hình 2.23 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến Dubin với điều kiện  600; 6 …. 75 Hình 2.24 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến Dubin với điều kiện  600;  6  … 76 Hình 2.25 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến Dubin với điều kiện  200; 2  ……… 76 Hình 2.26 Hệ tọa độ Serret-Frenet và các tọa độ của UAV…………….. 78 Hình 2.27 Quỹ đạo đường cong Seret-frenet……………………………. 84 Hình 2.28 Quỹ đạo bám của UAV……………………………………… 84 Hình 2.29 Sai số bám …………………………………………………… 85 Hình 3.1 Vùng quan sát của UAV với các góc tầm, hướng khác nhau … 90 Hình 3.2 Tọa độ mục tiêu trên mặt phẳng hình ảnh……………………… 93 Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán xác định tọa độ mục tiêu từ camera…………. 97
xi Hình 3.4 (a) Hình chiếu quỹ đạo của chế độ loitering lên mặt phẳng nằm ngang; (b) Hình chiếu quỹ đạo của chế độ loitering lên hệ tọa độ gắn liền với mục tiêu………………………………………. 99 Hình 3.5 Sơ đồ xác định đường quỹ đạo dao động trong thuật toán bám mục tiêu sử dụng quỹ đạo Loitering………………………….. 101 Hình 3.6 Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo Dubin ………………………… 109 Hình 3.7 Sơ đồ quỹ đạo UAV bám theo đường quỹ đạo kép …………... 109 Hình 3.8 Sơ đồ minh họa quá trình bám ……………………………….. 111 Hình 3.9 Sai số bám tương đối và khoảng cách giữa hai đường quỹ đạo………. 117 Hình 3.10 Đường quỹ đạo trong mặt phẳng xy ………………………..... 117 Hình 3.11 Sai số bám tương đối và khoảng cách giữa hai đường quỹ đạo …………... 118 Hình 3.12 Đường quỹ đạo trong mặt phẳng xy ……………………….. 118 Hình 3.13 Sai số bám tương đối và khoảng cách giữa hai đường quỹ đạo ……… 119 Hình 3.14 Đường quỹ đạo trong mặt phẳng xy………………………… 119 Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán khối tạo nhiệm vụ bay …………………….. 123
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hiện nay, UAV và các ứng dụng của nó ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống xã hội cũng như an ninh quốc phòng. UAV được ứng dụng trong trinh sát, cảnh giới, phát hiện, bám sát, bảo vệ các đối tượng mặt đất [19] cũng như quan sát môi trường [17], phòng chống cháy rừng [83] hay các mục đích thương mại khác như vận chuyển hàng hóa phục vụ nông nghiệp [37],[97]. Dù trong lĩnh vực nào để thực hiện được các nhiệm vụ của mình UAV cũng phải bám theo những đường quỹ đạo đặt trước [40], [60] hoặc bám theo các mục tiêu được xác định bằng hệ thống quan sát lắp đặt trên UAV [38], [64], [74]. Để bám theo các đường quỹ đạo đặt trước, UAV phải có thông tin về vị trí và tư thế của nó [21],[22],[63], đồng thời phải có các thuật toán điều khiển vòng ngoài kết hợp với hệ thống tự động lái được tích hợp sẵn [25], [26]. Để bám sát được mục tiêu mặt đất di động, UAV cũng cần được tính toán đường quỹ đạo dự kiến và bài toán bám mục tiêu cũng có thể quy về bài toán bám theo đường quỹ đạo, ngoài ra đây là đường quỹ đạo động luôn phụ thuộc vào tọa độ và tham số chuyển động của UAV và mục tiêu mặt đất [41], [65], [75]. Các vấn đề nêu trên cũng đã được nghiên cứu dưới nhiều góc độ và được thể hiện trong nhiều công trình đã được công bố. Để giải bài toán bám theo đường, có thể sử dụng các thuật toán được trình bày tương đối phổ biến trong các tài liệu hiện nay như bài toán bám theo điểm ảo [60], bám theo trường vecto [29], dẫn đường phi tuyến [18] hay dẫn đường theo bộ điều khiển tuyến tính toàn phương [76]. Các phương pháp này đều nhằm mục đích làm giảm sai số khoảng cách từ UAV tới đường quỹ đạo. Tuy nhiên việc xác định khoảng cách từ UAV tới điểm đích ảo hay các tham số xác định hướng của trường vecto chưa thực sự có lời giải tường minh đảm bảo chất lượng điều khiển, nhiều khi phải cân đối giữa tốc độ hội tụ và
2 sự dao động xung quanh đường cần bám. Để khắc phục một số hạn chế này cần tiếp tục nghiên cứu thuật toán điều khiển bám theo đường đảm bảo chất lượng điều khiển được duy trì đối với mọi điều kiện ban đầu. Bài toán bám theo đường có mục đích là đưa UAV tiến về đường quỹ đạo và bám theo đường quỹ đạo, trong khi đó đối với bài toán bám mục tiêu mặt đất, một yêu cầu là khoảng cách từ UAV đến mục tiêu phải giữ trong một khoảng nhất định để đảm bảo chất lượng bám sát, đồng thời để tránh bị phát hiện. Đây cũng là một vấn đề thường gặp trong thực tế. Các phương pháp đã được đề cập đến như bám vòng quanh (loitering) [65] hay bám đuổi (following) [64],[74],[96]. Tuy nhiên việc lựa chọn các phương pháp và thuật toán bám cụ thể vẫn chưa được trình bày một cách tường minh. Để đảm bảo điều khiển UAV thực hiện các nhiệm vụ thực tế cần giải quyết hai vấn đề trên một cách tường minh với các thuật toán cho từng trường hợp cụ thể. Chính vì vậy, đề tài luận án có tính cấp thiết, có tính khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu về động học của vòng điều khiển bám quỹ đạo và các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo đã được áp dụng để xây dựng thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV sử dụng chế độ trượt. - Nghiên cứu khả năng bám mục tiêu mặt đất của UAV với các mục tiêu có vận tốc khác nhau để đề xuất giải pháp bám mục tiêu di động có vận tốc thay đổi. 3. Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển UAV, mô hình động học trong chế độ điều khiển quỹ đạo của UAV, các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo của UAV dựa trên góc nghiêng của UAV và hệ thống đo lường trên UAV.
3 - Nghiên cứu xây dựng thuật toán vòng điều khiển bám quỹ đạo của UAV trong hệ thống điều khiển UAV. Để xây dựng thuật toán này, luận án sử dụng chế độ trượt. Chế độ trượt với các ưu điểm như hệ thống ổn định bền vững dưới tác động của nhiễu bên ngoài cũng như sự bất định của đối tượng điều khiển. UAV hoạt động trong môi trường nhiễu loạn, do đó việc áp dụng chế độ trượt sẽ phù hợp với điều kiện hoạt động của UAV. Việc áp dụng chế độ trượt trước tiên là xây dựng mặt trượt đảm bảo chế độ trượt và sau đó là đảm bảo khả năng bám sát của UAV theo mặt trượt đã chọn. Để giải quyết vấn đề này luận án chọn giải pháp phát triển mặt trượt phi tuyến cho phép UAV nhanh chóng tiệm cận và bám theo mặt trượt với thời gian hữu hạn. Chế độ trượt sẽ được áp dụng trong chế độ bám quỹ đạo không chỉ theo đường tiêu chuẩn như đường thẳng hay đường tròn mà còn cho các đường cong bất kỳ. Đối với trường hợp đường cong bất kỳ, hệ tọa độ Serret-Fernet [40], , [61] dùng để mô tả các quỹ đạo cong sẽ được áp dụng và việc áp dụng chế độ trượt trong bám đường theo hệ tọa độ Serret-Fernet sẽ chứng tỏ tính hiệu quả của chế độ trượt. - Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo của UAV bám theo mục tiêu mặt đất. Mở rộng ứng dụng của bài toán bám đường, luận án đề xuất thuật toán bám theo mục tiêu mặt đất trên cơ sở phương pháp bay vòng và bám quỹ đạo theo hai đường thẳng song song có khoảng cách được xác định tùy thuộc vào vận tốc mục tiêu và vận tốc UAV, điều này sẽ khắc phục được một số giới hạn khi bám sát mục tiêu bằng phương pháp bám vòng. Khi vận tốc mục tiêu vượt qua một ngưỡng xác định thì để đảm bảo chế độ bám vòng, góc quay mong muốn của UAV trong một số miền sẽ nhỏ hơn khả năng quay vòng thực tế của UAV. Giải pháp đề xuất rất dễ thực hiện và có hiệu quả thực tế cao. - Mô phỏng kiểm chứng các kết quả của luận án.
4 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của luận án là UAV cánh bằng với giả thiết là có hệ thống tự động điều khiển vận tốc theo giá trị đặt, Phạm vi nghiên cứu là vòng điều khiển quỹ đạo (với giả thiết là hệ thống điều khiển quỹ đạo của UAV bao gồm 2 vòng điều khiển, vòng điều khiển ngoài là vòng điều khiển quỹ đạo, vòng điều khiển trong là vòng điều khiển ổn định có hằng số thời gian nhỏ không đáng kể so với vòng điều khiển quỹ đạo) trong hai trường hợp bám theo đường quỹ đạo và bám theo mục tiêu mặt đất di động. 5. Phương pháp nghiên cứu. Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng, cụ thể là nghiên cứu các công bố liên quan, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tiến hành mô phỏng để đánh giá, kiểm chứng, đề xuất các giải pháp phù hợp. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận án giải quyết được về mặt lý thuyết các thuật toán điều khiển quỹ đạo cho UAV trong chế độ bám theo đường quỹ đạo và bám theo mục tiêu mặt đất. Các kết quả của luận án có thể được áp dụng cho UAV cánh bằng thực hiện nhiệm vụ trong kinh tế xã hội như quan sát môi trường, phòng chống cháy rừng, vận chuyển hàng hóa phục vụ nông nghiệp… hay trong mục đích quân sự như trong trinh sát, cảnh giới, phát hiện, bám sát, bảo vệ các đối tượng mặt đất… 7. Bố cục của luận án. Với những nội dung nghiên cứu trình bày trên, luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận, cụ thể như sau: Phần mở đầu, luận án trình bày tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, nội
5 dung nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn và bố cục của luận án. Chương 1: Trong chương này luận án sẽ trình bày khái quát về UAV, động học của UAV, các vấn đề điều khiển bám đường quỹ đạo và định vị UAV, qua đó đặt nhiệm vụ giải quyết cho các chương sau. Chương 2: Chương này sẽ giải quyết vấn đề điều khiển bám đường quỹ đạo cho UAV dựa trên một số mặt trượt, từ mặt trượt tuyến tính, mặt trượt hỗn hợp đến mặt trượt phi tuyến, mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin, thuật toán bám đường cong trong hệ tọa độ SF. Các giải pháp đề xuất cũng được thể hiện được ưu điểm của chúng trong điều kiện áp dụng cụ thể. Việc ứng dụng các mặt trượt này được trình bày cho quỹ đạo dạng đường thẳng cũng như dạng đường cong bất kỳ. Các kết quả mô phỏng cũng được trình bày theo từng nội dung trong chương 2. Chương 3: Trong chương này sẽ đề cập đến các vấn đề liên quan đến bám mục tiêu mặt đất, bao gồm xác định tọa độ và các tham số vận động của mục tiêu, xây dựng thuật toán bám theo chế độ bay vòng, hay phương pháp loitering, dựa trên phương pháp điều khiển bám đường với mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin, đồng thời xây dựng phương pháo bám sát mục tiêu di động mặt đất bằng phương pháp hộ tống ứng dụng cho bài toán bám mục tiêu mặt đất trong một số điều kiện mà phương pháp loitering không đáp ứng được cùng một số kết quả mô phỏng. Phần kết luận sẽ trình bày các kết quả của luận án những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án cũng như hướng phát triển tiếp theo.
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV Hiện nay điều khiển UAV là một lĩnh vực được quan tâm rộng rãi và đạt được nhiều kết quả quan trọng. Các nghiên cứu đều tập trung theo sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV được đề xuất trong [26],[27] trong đó có 3 vấn đề quan trọng đặt ra, đó là xác định được các tham số trạng thái của UAV trên cơ sở các phương tiện đo lường [97],[84]; trên cơ sở các tham số trạng thái của UAV và nhiệm vụ bay, tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài; tổng hợp bộ điều khiển vòng trong còn gọi là các bộ ổn định cho UAV [26],[28]. Để phân tích có tính hệ thống cho các nhiệm vụ này, dưới đây sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề có liên quan. 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV Hệ thống điều khiển tự lập UAV bao gồm khối tạo nhiệm vụ bay, khối điều khiển, hệ thống cảm biến và hệ thống xử lý tín hiệu đo được thể hiện bằng sơ đồ tổng quát sau [39]: Khối điều khiển Nhiệm vụ Điều khiển Điều khiển UAV bay quỹ đạo ổn định Động học Thiết bị Hệ thống xử phụ trợ lý tín hiệu đo Hệ cảm biến Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV Trong sơ đồ Hình 1.1, nhiệm vụ bay được nạp trước vào máy tính trên khoang hoặc có thể được thay đổi theo lệnh từ trung tâm điều khiển mặt đất. Nhiệm vụ có thể là các quỹ đạo điểm-điểm, quỹ đạo cong hay quỹ đạo tròn và
7 đôi khi làm bám theo mục tiêu được xác định từ trạm điều khiển mặt đất. Căn cứ vào các giá trị của các biến trạng thái thu thập được trên UAV, trong đó bao gồm các biến trạng thái của UAV cũng như các biến trạng thái của mục tiêu so với UAV, nhiệm vụ bay cụ thể được đưa ra. Trong hệ thống điều khiển nêu trên, khối điều khiển quỹ đạo nhận các tham số từ nhiệm vụ bay cũng như các tham số trạng thái của UAV, xử lý số liệu thời gian thực để đưa ra các lệnh điều khiển quỹ đạo dưới dạng góc nghiêng, góc chúc ngóc và giá trị công suất của hệ thống đẩy của động cơ [27],[77]. Việc thiết lập các lệnh này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của UAV bám theo nhiệm vụ bay. Trong một số trường hợp, khối điều khiển quỹ đạo còn được gọi là khối điều khiển dẫn đường. Khối điều khiển ổn định nhận các lệnh này và trên cơ sở các tham số trạng thái của UAV sẽ tạo lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành trên UAV, đó là các góc lệch của bánh lái độ nghiêng  a , bánh lái nâng  e và góc mở van nhiên liệu T [39]. Việc thay đổi các góc a , e ,  T sẽ làm thay đổi các lực và mô men tác động lên UAV làm cho UAV thay đổi các tham số bay, hay biến trạng thái của nó. Việc thay đổi biến trạng thái này phụ thuộc vào động học của UAV. Trong thực tế vòng điều khiển ổn định có tác động nhanh hơn vòng điều khiển quỹ đạo [39], vì vậy trong một số trường hợp có thể gộp vòng điều khiển trong và động học của UAV thành một khối và các giá trị thực trạng thái của UAV có thể coi là lặp lại của các lệnh tạo ra từ khối điều khiển quỹ đạo. Trong thực tế cũng có cách tiếp cận khác, đó là gộp 2 khối điều khiển quỹ đạo và điều khiển ổn định vào một và tạo ra các lệnh đến cơ cấu chấp hành trực tiếp từ nhiệm vụ bay và trạng thái của UAV [67],[68]. Đây là