Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.77 MB, 148 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM GIA ĐIỀM
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN
PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Đông
PHẠM GIA ĐIỀM
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN
PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS NGÔ VĂN HIỀN
2. PGS.TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH
Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Phạm Gia Điềm, cam kết báo cáo luận án là công trình nghiên cứu của
bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Ngô Văn Hiền và PGS. TS Nguyễn
Phú Khánh.
Các kết quả nêu trong báo cáo luận án là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Phạm Gia Điềm
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Người hướng dẫn
Người hướng dẫn
khoa học 1
khoa học 2
PGS. TS Ngô Văn Hiền
PGS. TS Nguyễn Phú Khánh
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: PGS.TS Ngô
Văn Hiền và PGS.TS Nguyễn Phú Khánh là những người Thầy đã trực tiếp hướng
dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốtquá trình học tập và thực hiện luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô và các anh chị em đồng nghiệp
tại Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm, Bộ môn Điện tử Hàng không, Trường
Đại học Nagoya, Nhật Bản đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện
giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận án này.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện cơ khí động lực, Viện
Đào tạo Sau đại học của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cử tôi đi học và tạo
điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi vô cùng cảm ơn bố mẹ, vợ con, người thân và bạn bè, những
người đã luôn bên tôi chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong cuộc sống và học tập
để hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2017
Nghiên cứu sinh
Phạm Gia Điềm
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................ viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI
LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ..................................................... 19
1.1. Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện bay không người
lái.................................................................................................................. 19
1.2. Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống điều khiển
UAV ............................................................................................................. 25
1.3. Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình hóa hệ
thống điều khiển........................................................................................... 28
1.3.1. Hệ thống động lực lai và Automate lai .......................................... 28
1.3.2. Sử dụng công nghệ hướng đối tượng ............................................. 31
1.3.3. Kiến trúc hướng theo mô hình ....................................................... 33
1.4. Lựa chọn ứng dụng ............................................................................... 37
Kết luận chương ........................................................................................... 40
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN CỦA Q-UAV VỚI AUTOMATE LAI ................................... 42
2.1. Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV.................................. 42
2.1.1. Mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển UAV ............... 42
2.1.2. Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV ........................... 44
2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển của Q-UAV ........................................... 49
2.2.1. Kiến trúc điều khiển Q-UAV tự hành ............................................ 49
i
2.2.2. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV
.................................................................................................................. 50
2.2.3. Mô hình hệ thống điều khiển phi tuyến lai cho Q-UAV................ 52
2.3. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cho Q-UAV .......................... 54
2.3.1. Mô phỏng nhân quả ........................................................................ 55
2.3.2. Mô phỏng phi nhân quả .................................................................. 56
2.3.3. Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng hệ thống .......................................... 57
2.3.4. Mô phỏng mô hình phân tích hệ thống .......................................... 58
Kết luận chương ........................................................................................... 69
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO Q-UAV BẰNG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI
TƯỢNG ........................................................................................................... 71
3.1. Mô hình hóa và quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều
khiển nhúng trong thời gian thực ................................................................. 71
3.1.1. Mô hình hóa trực quan ................................................................... 71
3.1.2. Quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều khiển
nhúng trong thời gian thực ....................................................................... 74
3.2. Qui trình MDA tổng quát trong phát triển hệ thống điều khiển cho QUAV ............................................................................................................. 77
3.2.1. Lựa chọn MDA và RealTime UML ............................................... 77
3.2.2. Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV ............ 78
3.3. Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi trong thời gian thực cho hệ thống
điều khiển Q-UAV ....................................................................................... 80
3.3.1. CIM của hệ thống điều khiển Q-UAV ........................................... 80
3.3.2. PIM của hệ thống điều khiển Q-UAV............................................ 86
3.3.3. PSM của hệ thống điều khiển Q-UAV ........................................... 95
Kết luận chương ......................................................................................... 103
ii
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Q-UAV .......................................................................................................... 104
4.1. Các tình huống thử nghiệm và đánh giá kết quả ................................ 104
4.2. Tích hợp thiết bị và quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm.......... 104
4.2.1. Tích hợp các thiết bị thử nghiệm.................................................. 104
4.2.2. Quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm ................................... 108
4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV ....... 110
4.3.1. Thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay treo và hạ cánh tự
động ........................................................................................................ 110
4.3.2. Thử nghiệm và đánh giá bay tự động bám theo các quỹ đạo mong
muốn ....................................................................................................... 112
Kết luận chương ......................................................................................... 123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 125
1. Kết luận .................................................................................................. 125
2. Kiến nghị................................................................................................ 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 134
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 136
Phụ lục 1. Các mô hình, hàm chức năng cơ bản trong mô phỏng và thực thi
điều khiển cho ứng dụng Q-AUV .............................................................. 136
Phụ lục 2. Dữ liệu các thông số quỹ đạo và trạng thái của Q-UAV theo các
kịch bản thử nghiệm .................................................................................. 141
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Viết đầy đủ (tiếng Anh)
Ý nghĩa
viết tắt
BS
Backstepping
Phương thức điều khiển cấp
ngược
CIM
Computation Independent
Model
Mô hình độc lập với thao tác
tính toán
CFD
Computational Fluid
Động lực học tính toán dòng
Dynamics
DAE
Differential Algebraic
Equation
Phương trình đại số vi phân
DoF
Degree of Freedom
Bậc tự do
EKF
Extended Kalman Filter
Bộ lọc Kalman mở rộng
FB
Function Block
Khối chức năng trong IEC
GPS
Global Positioning
Hệ thống định vị toàn cầu
Systems
GUI
Graphical User Interface
Giao diện người dung đồ họa
HA
Hybrid Automata
Automate lai
HDS
Hybrid Dynamic System
Hệ thống động lực lai
HIL
Hardware-In-the-Loop
Mô phỏng phần cứng vật lý
IB
Integral Backstepping
IDE
Phương thức điều khiển tích
phân cấp ngược
Integrated Development
Environment
Môi trường phát triển tích hợp
IEC
International Electrotechnical Commission
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
IGCB
Instantaneous Global
Continuous Behavior
Ứng xử liên tục toàn cục tức thời
INCOSE
International Council on
Systems Engineering
IMU
Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính
iv
Hội đồng quốc tế về công nghệ
hệ thống
INS
Inertial Navigation
Systems
Hệ thống dẫn đường quán tính
LOS
Line-Of-Sight
Giải thuật bám đường LOS
LQ
Linear Quadratic
Phương thức điều khiển toàn
phương tuyến tính
MARTE
Modeling and Analysis of
Real Time and Embedded
systems
Mô hình hóa và phân tích các hệ
thống nhúng và thời gian thực
MDA
Model-Driven
Architecture
Kiến trúc hướng theo mô hình
MPC
Model Predictive Control
Điều khiển dự đoán mô hình
MUAV
Micro Unmanned Aerial
Vehicle
Máy bay siêu nhỏ không người
lái
MVC
Model-View-Controller
pattern
Mẫu mô hình-khung nhìn-điều
NED
North-East-Down
Hệ tọa độ gắn với trái đất
ODE
Ordinary Differential
Equation
Phương trình vi phân thường
OO
Object-Oriented
Hướng đối tượng
Proportional – Integral –
Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ-
Derivative regulator
tích phân-vi phân
Platform Independent
Mô hình độc lập với nền công
nghệ
PID
PIM
PLC
PSM
Q-UAV
RealTime
UML
khiển
Model
Programmable Logic
Bộ điều khiển logic lập trình
được
Controller
Platform Specific Model
Quadrotor Unmanned
Mô hình gắn với nền công nghệ
cụ thể
Aerial Vehicle
Thiết bị bay không người lái
dạng 4 cánh quạt
Real Time Unified
Modeling Language
Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất
trong thời gian thực
v
RPY
Roll-Pitch-Yaw
ROPES
Rapid Object-Oriented
Process for Embedded
Systems
SMC
Sliding Mode Control
Điều khiển trượt
UML
Unified Modeling
Language
Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất
VTOL
WP
Các góc Nghiêng-Chúc-Hướng
Qui trình hướng đối tượng cho
hệ thống nhúng
Vertical Take-Off and
Cất cánh và hạ cánh thẳng đứng
Landing
Điểm đường (điểm lộ trình)
Way-Point
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các thông số vật lý cơ bản của ứng dụng Q-UAV
39
Bảng 2.1. Các tham số chuyển động của phương tiện bay
43
Bảng 2.2. Các thành phần lực và mô men tác động lên Q-UAV
45
Bảng 2.3. Liên kết HA với IB và PI cho hệ thống điều khiển Q-UAV
53
Bảng 3.1. Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các gói điều khiển
chính
94
Bảng PL1.1. Các thông số động lực học cơ bản của ứng dụng Q-UAV
137
Bảng PL2.1. Trường hợp 1- Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 90 độ với vận tốc là 2,5 m/s
141
Bảng PL2.2. Trường hợp 2 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 2,5 m/s
142
Bảng PL2.3. Trường hợp 3 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 3,5 m/s
143
Bảng PL2.4. Trường hợp 4 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 30 độ với vận tốc là 3,5 m/s
vii
144
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Hình ảnh ghi lại ứng dụng “chim bồ câu” bay vào năm 425
BC (a) và mẫu máy bay của Leonardo Da Vinci vào năm 1483 (b)
19
Hình 1.2. Hệ thống UAV đầu tiên: Aerial Torpedo (a) và Kettering
Bug (b)
20
Hình 1.3. UAV thập niên 1960s: Ryan Firebee (a) và Gyrodyne
DASH (b)
21
Hình 1.4. UAV thập niên 1970s: MBLE Epervier (a) và Westland
Wisp (b)
21
Hình 1.5. UAV thập niên 1980s: "Canadair CL-89" (a), "IAI Scout"
(b), "Tadiran Mastiff" (c) và "Pioneer" (d)
22
Hình 1.6. UAV thập niên 1990s: "Yamaha R50" phục vụ trong nông
nghiệp
22
Hình 1.7. UAV thập niên 2000s: "Predator B" (a) và "Reaper" (b)
23
Hình 1.8. FlyCam UAV “Align M690L” (a) và DJI “Phantom 3 Pro”
(b) sử dụng trong quay phim và truyền hình
24
Hình 1.9. Bộ giới hạn tín hiệu
30
Hình 1.10. Automate lai trong mô hình hóa ứng xử của bộ giới hạn
tín hiệu
30
Hình 1.11. Sự phân loại các mô hình chính trong MDA
34
Hình 1.12. Ví dụ về phát triển hướng theo mô hình
34
Hình 1.13. Ví dụ về CIM
35
Hình 1.14. Ví dụ về PIM dựa theo hình 1.12
35
Hình 1.15. Ví dụ về PSM dựa theo hình 1.13 với công nghệ J2EE
36
Hình 1.16. Mô tả phương và hướng di chuyển của Q-UAV
38
Hình 1.17. Mô hình thiết kế tổng quan về hình học của Q-UAV
39
Hình 1.18. Ví dụ về phân bố áp suất (a) và phân bố vận tốc trên cánh
viii
quạt (b)
39
Hình 2.1. Các tham số chuyển động của Q-UAV
44
Hình 2.2. Cấu trúc kết nối giữa điều khiển vị trí, độ cao và RPY
48
Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của Q-UAV
49
Hình 2.4. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho
Q-UAV
51
Hình 2.5. Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng
52
Hình 2.6. Sơ đồ khối mô hình HIL cho Q-UAV
60
Hình 2.7. Giao diện theo dõi thông số điều khiển của Q-UAV trên
phần mềm Matlab-Simulink
61
Hình 2.8. Đồ thị đáp ứng góc điều khiển nghiêng
61
Hình 2.9. Đồ thị đáp ứng góc điều khiển chúc
61
Hình 2.10. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - chỉ có
GPS
62
Hình 2.11. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ yz - chỉ có
GPS
63
Hình 2.12. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ xz - chỉ có
GPS
63
Hình 2.13. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có
GPS
64
Hình 2.14. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - chỉ có INS
64
Hình 2.15. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ yz - chỉ có INS
65
Hình 2.16. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xz - chỉ có INS
65
Hình 2.17. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có
INS
66
Hình 2.18. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - có kết hợp
GPS/INS và EKF
66
ix
Hình 2.19. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xz - có kết hợp
GPS/INS và EKF
67
Hình 2.20. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ yz - có kết hợp
GPS/INS và EKF
67
Hình 2.21. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - có kết
hợp GPS/INS và EKF
68
Hình 3.1. Qui trình phát triển tái lặp ROPES
75
Hình 3.2. Tổng quan về quy trình MDA trong thời gian thực cho hệ
thống điều khiển Q-UAV
79
Hình 3.3. Sơ đồ lớp UML thể hiện các chức năng chính của Q-UAV
81
Hình 3.4. Mô hình trường hợp sử dụng của Q-UAV
82
Hình 3.5. Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn
83
Hình 3.6. Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám quỹ
đạo”
83
Hình 3.7. Máy trạng thái toàn cục của Q-UAV
84
Hình 3.8. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của QUAV
88
Hình 3.9. Máy trạng thái của gói phần rời rạc
88
Hình 3.10. Máy trạng thái của gói IGCB
89
Hình 3.11. Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 gói điều khiển
chính nhằm thực thi HA cho Q-UAV
91
Hình 3.12. Cấu trúc tĩnh của các gói điều khiển chính
92
Hình 3.13. Tương tác giữa các gói điều khiển chính cho một chu kỳ
lấy mẫu
93
Hình 3.14. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA
96
Hình 3.15. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển
Q-UAV
97
x
Hình 3.16. Đáp ứng quá độ điều khiển cất cánh theo phương thẳng
đứng
99
Hình 3.17. Đáp ứng quá độ điều khiển di chuyển phương x trên mặt
ngang
100
Hình 3.18. Mẫu thiết kế và thực thi hướng đối tượng của HA cho QUAV
101
Hình 3.19. Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống
điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn
102
Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị
ngoại vi
105
Hình 4.2. Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a)
và bảng vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b)
106
Hình 4.3. Tích hợp vi mạch trên Q-UAV
107
Hình 4.4. Thiết bị điều khiển bằng tay Futaba T8FG
107
Hình 4.5. Bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của Q-UAV
107
Hình 4.6. Màn hình hiển thị video thu được tại mặt đất và hiển thị
thông số
108
Hình 4.7. Pin và mạch sạc điện Cellpro
108
Hình 4.8. Động cơ T-motor và các thông số kỹ thuật
108
Hình 4.9. Giao diện phần mềm điều khiển và theo dõi trạng thái trên
máy tính
109
Hình 4.10. Ví dụ: Giao diện kiểm tra các tham số PID cho Q-UAV
110
Hình 4.11. Hình ảnh thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay
treo và hạ cánh tự động
111
Hình 4.12. Giao diện cài đặt các chế độ an toàn cho Q-UAV
111
Hình 4.13. Đồ thị theo dõi trạng thái Q-UAV trên máy tính
112
Hình 4.14. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
xi
trường hợp 1
113
Hình 4.15. Quỹ đạo di chuyển thực tế thu được của Q-UAV: trường
hợp 1
114
Hình 4.16. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 1
114
Hình 4.17. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của QUAV: trường hợp 1
115
Hình 4.18. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 1
115
Hình 4.19. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 1
116
Hình 4.20. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 2
116
Hình 4.21. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 2
117
Hình 4.22. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của QUAV: trường hợp 2
117
Hình 4.23. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 2
118
Hình 4.24. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 2
118
Hình 4.25. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 3
119
Hình 4.26. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 3
119
Hình 4.27. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 3
120
Hình 4.28. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 3
120
Hình 4.29. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 4
121
xii
Hình 4.30. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 4
121
Hình 4.31. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 4
122
Hình 4.32. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
122
và thực tế: trường hợp 4
Hình PL1.1. Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng Q-UAV với MatLabSimulink
136
Hình PL1.2. Các thành phần mô phỏng trong khối điều khiển Q-UAV
với MatLab-Simulink
136
Hình PL1.3. Các thành phần mô phỏng trong khối động lực học cho
điều khiển Q-UAV
137
Hình PL1.4. Kiểm tra mã chương trình chính của tất cả các mô đun
được biên dịch trước khi nạp vào vi xử lý MCU-STM32-Cortex M4
xiii
140
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu và phát triển các hệ thống lái tự động đã được các hãng
hàng không trên thế giới triển khai ứng dụng từ rất lâu trên các loại máy bay
được sử dụng trong lĩnh vực dân sự và quân sự. Tất cả các loại máy bay hiện
tại của các hãng hàng không lớn, như: Airbus, Boeing và Locked Martin đều
được trang bị hệ thống lái tự động hiện đại và độ tin cậy cao [10], [25], [46].
Tương tự như vậy, các hệ thống lái này cũng được phát triển và triển khai cho
các sản phẩm là phương tiện bay không người lái (máy bay không người lái UAV) [8], [26], [69], [75] nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau trong
lĩnh vực quân sự cũng như dân sự. Trong những năm gần đây, loại phương
tiện bay không người lái siêu nhỏ (MUAV) đã được phát triển nhanh chóng ở
nước ta nhằm có thể mang la ̣i nhiều ứng du ̣ng thực tiễn, như: giám sát và
phân luồng giao thông trong đô thị, tuầ n tra biể n đảo, cảnh báo và cứu hộ
trong lâm nghiệp. Nó cũng có thể mở ra các hướng nghiên cứu mới nhằm
triển khai các ứng dụng khác nhau; đặc biệt, các nghiên cứu này có thể cho
phép phát triển các dạng rô bốt bay tự hành không người lái lớn hơn nhằm
ứng dụng cho các nhiệm vụ trong lĩnh vực quân sự [2].
Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: Q-UAV) được
quan tâm và phát triển mạnh bởi vì nó có chế độ cất cánh, hạ cánh thẳng
đứng, vận hành đơn giản và an toàn hơn. Ngoài ra, lực đẩy được tạo ra bởi
các cánh quạt có thể dễ dàng xác lập ra trạng thái ổn định lơ lửng trên không
để phục vụ cho mục đích thu phát dữ liệu và quan sát mục tiêu tại vị trí xác
định đặt trước. Đã có một số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh
quạt mang được phát triển ở nước ta, tuy nhiên vấn đề điều khiển và ổn định
bám quỹ đạo bay một cách tự hành của loại phương tiện bay này cần phải
được xem xét, bởi vì mô hình động lực học phi tuyến của nó rất phức tạp và
được gắn chặt với các chế độ hoạt động cũng như an toàn của toàn bộ hệ
14
thống. Ngoài ra, việc điều khiển UAV hiện tại mới đang được phát triển chủ
yếu ở trong nước bởi điều khiển từ xa bằng tay thông qua sóng radio. Việc
chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho phép UAV hoàn toàn có thể tự hành
bám theo quỹ đạo mong muốn vẫn chưa được triển khai diện rộng ở nước ta;
nhưng các UAV loại này lại đang được rất nhiều các tổ chức trong nước quan
tâm, như là: Bộ quốc phòng, Cảnh sát biển và Biên phòng, Bộ Tài nguyên và
Môi trường [2]. Đặc biệt, đối với địa hình của nước ta có bờ biển dài và nhiểu
rừng núi thì việc ứng dụng sản phẩm trên cho cả mục đích dân sự và quân sự
lại càng cấp thiết.
2. Mục đích
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học
được thực hiện về thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho MUAV tự hành
nói chung và Q-UAV nói riêng [2], [18], [74]; MUAV có thể hoạt động được
một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó đòi hỏi có ba hệ thống chính: Hệ
thống dẫn đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám
theo; hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện tại của phương tiện; hệ
thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình động lực học tương
ứng với các chế độ hoạt động khác nhau của phương tiện. Trong luận án này,
hệ thống điều khiển MUAV được mô tả bởi các mô hình liên tục, mô hình sự
kiện rời rạc và tác động qua lại giữa chúng, như là: các chuyển động theo
hướng RPY, cao độ và vị trí mặt ngang khác nhau, các sự kiện và tín hiệu
tương tác với hệ thống dẫn đường và định vị, các tác động nhiễu loạn đến từ
môi trường xung quanh; hệ thống điều khiển có đặc điểm như thế có thể được
xem như là hệ thống động lực lai (HDS) [17], [35], [34], [51]. Các mô hình
liên tục/rời rạc và tương tác giữa chúng có thể được mô hình hóa thông qua cụ
thể hóa Automate lai [33], [35] và cần phải được thực thi kèm theo các giả
thuyết xác nhận tính hợp lệ nhằm kiểm tra về an toàn và hiệu năng của toàn
bộ hệ thống tại mọi thời điểm hoạt động. Bên cạnh đó, việc sử dụng các
chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiển công nghiệp cần
15
phải được xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển MUAV
đã phát triển được áp dụng cho ứng dụng UAV mới là quan trọng, nhằm giảm
chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp
[36], [66].
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Để đáp ứng được các mục đích chính trên đây, các phương pháp phát
triển hướng mô hình hóa hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế
trực quan và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu thay đổi của các hệ thống
điều khiển. Tổ chức hướng đối tượng quốc tế (OMG) đã đưa ra cách tiếp cận
kiến trúc hướng mô hình (MDA) [59] kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp
nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) [16], [22], [41], [57],
[64] nhằm ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và
các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng. Cách tiếp cận MDA có các
đặc điểm chính, như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát
triển với các hệ thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành
phần đã phát triển nhằm giảm thời gian, chi phí và nhân lực cho các dự án
phát triển hệ thống công nghiệp. Dựa theo cách tiếp cận này đã có nhiều ứng
dụng được phát triển thành công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp,
đặc biệt các hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực trong lĩnh vực
điều khiển công nghiệp khác nhau [3], [4], [23], [39], [49], [65].
Bên cạnh đó, có những công cụ phần mềm mã nguồn mở hoặc thương
mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một cách nhanh
chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp luận trên đây, như: OpenModelica
[60], MatLab-Simulink [48], IBM Rational Rose RealTime và IBM Rational
Rhapsody [37]. Hiện nay đã có nhiều doanh nghiệp hàng không lớn trên thế
giới đã ứng dụng thành công công nghệ hướng đối tượng để phát triển các hệ
thống điều khiển phức tạp trên các phương tiện bay, như: Boeing, Lockeed
Martin và Airbus [58], [72], [76]. Với tính ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật như
trên, có thể khẳ ng đinh
̣ rằ ng viê ̣c nghiên cứu và phát triển một phương pháp
16
linh hoạt trong điều khiển các MUAV là rấ t quan trọng; nó không những góp
phầ n rấ t lớn cho các mu ̣c đı́ch dân sự mà xa hơn nữa còn góp phầ n vào mu ̣c
đı́ch quân sự.
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, luận án đã được đề
xuất nghiên cứu về đề tài: “Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều
khiển phương tiện bay không người lái”.
Trong phạm vi của luận án, đối tượng phương tiện bay không người lái
là thiết bị bay có bốn chong chóng mang (Q-UAV) được sử dụng nhằm minh
họa dễ dàng cách tiếp cận hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều
khiển UAV. Ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết kế chi tiết
của hệ thống điều khiển đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ
dàng ứng dụng cho các loại UAV khác nhau.
Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao thông qua cụ thể hóa và áp
dụng kết hợp các phương thức điều khiển và công nghệ thực thi mới gần đây
nhất; có thể làm tiền đề cho các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như:
+ Lĩnh vực quân sự: UAV được sử dụng làm các mục tiêu di động trên không,
quan sát vùng lãnh thổ, biên giới và do thám.
+ Lĩnh vực dân sự:
- Giao thông: UAV tham gia vào quá trình giám sát các phương tiên
giao thông đang lưu hành trên đường bộ và đường thủy.
- Địa chính: UAV dùng để quan sát, xác định địa giới giữa các vùng và
thiết lập bản đồ.
- Các ngành khác: UAV tham gia vào việc quan sát tại các địa hình khó
và phức tạp mà con người khó có thể có mặt trực tiếp, như: quan sát các vùng
cháy rừng, địa điểm có độc tố và phóng xạ.
Cách tiếp cận của luận án dựa trên phương pháp thực thi điều khiển
hiện đại đã được ứng dụng trên nhiều hệ thống và thiết bị Cơ điện tử - Điều
khiển; các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết và mô phỏng trên
máy tính bằng các phần mền chuyên dụng cũng như triển khai kiểm thử thông
17
qua thực nghiệm. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên được nghiên cứu và ứng dụng
và thử nghiệm trên thiết bị bay tự hành và cho một Q-UAV do NCS tự tính
toán, thiết kế, lắp đặt và chế tạo tại Việt nam.
4. Các điểm mới của luận án đạt được
- Đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa trên việc cụ thể hóa các
đặc trưng của hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử điều khiển được mô tả
bởi Automate lai (HA).
- Đưa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối
tượng trong thời gian thực cho MUAV thông qua cụ thể hóa RealTime UML
với MDA, nhằm nâng cao hiệu năng thực thi hệ thống điều khiển và triển khai
trên một MUAV: Q-UAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn.
- Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái
sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại Q-UAV hoặc MUAV chong
chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác nhau.
5. Cấu trúc của luận án
Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 1 trình
bày tổng quan về phương tiện bay không người lái và các kỹ thuật điều khiển;
Chương 2 giới thiệu mô hình hóa và mô phỏng động lực học trong điều khiển
cho Q-UAV. Quy trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống
điều khiển cho Q-UAV bằng công nghệ hướng đối tượng được trình bày trong
Chương 3; Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là
kết luận chung và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
18
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI
LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.1. Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện bay không
người lái
Mặc dù có rất nhiều người tin rằng UAV là một phát minh mới trong
hai hoặc ba thập kỷ gần đây, nhưng các thiết bị bay không người lái có một
lịch sử phong phú bắt đầu từ thời cổ đại [74]. Tất nhiên, các hệ thống và thiết
bị bay đầu tiên có thể có đủ điều kiện hội tụ với các khái niệm hiện đại của
UAV gần đây chủ yếu liên quan đến những chiếc máy bay trinh sát được phát
triển và triển khai trong chiến tranh lạnh. Ngày nay, các hệ thống UAV đã
được phát triển và mở rộng sang các dạng thiết kế khác nhau và được ứng
dụng rộng rãi như UAV dạng nhiều cánh quạt, dạng mô phỏng theo sinh học
và khinh khí cầu bên cạnh các dạng có cánh cố định và trực thăng truyền
thống. Chúng cũng đã đóng những vai trò mới ngoài lĩnh vực quân sự, ví dụ:
việc theo dõi thời tiết, kiểm tra cơ sở hạ tầng và tham gia cứu hộ [18], [74].
Hình 1.1. Hình ảnh ghi lại ứng dụng “chim bồ câu” bay [73] vào năm 425 BC
(a) và mẫu máy bay của Leonardo Da Vinci vào năm 1483 [53] (b)
Khoảng từ những năm 425 đến 400 BC tại Hy Lạp và Trung Quốc đã
xuất hiện những ý tưởng chế tạo thiết bị bay không người lái. Hình 1.1a ghi
lại ứng dụng về “chim bồ câu bay” được chế tạo bằng gỗ vào năm 425 BC và
bay được khoảng 200m [73]. Năm 1483, Leonardo Da Vinci đã thiết kế một
19
mẫu thiết bị bay không người lái có khả năng bay lơ lửng trên không (hình
1.1b); nó là một mẫu cội nguồn của các loại máy bay trực thăng sau này.
Nhiều thiết bị bay đã được thiết kế giữa năm 1860 và năm 1909, ban
đầu tập trung vào cất cánh và hạ cánh thẳng đứng do các hạn chế của động cơ
hơi nước được sử dụng vào thời điểm đó. Khi công suất của động cơ được cải
thiện, các thiết bị bay này đã được chuyển sang dạng thiết kế như máy bay
trực thăng và máy bay cánh cố định được sử dụng ngày nay. Các UAV đầu
tiên được phát triển với tầm hoạt động xa và được trang bị vũ khí và được coi
là tiền thân của tên lửa hành trình, như: năm 1917, Hải quân Mỹ đã sử dụng
một loại máy bay ném bom không người lái "Aerial Torpedo" (hình 1.2a), có
hai lớp cánh được làm bằng gỗ, khối lượng 270kg và được trang bị một động
cơ 40 mã lực từ hãng Ford; "Kettering Bug" (hình 1.2b) là một loại phương
tiện bay không người lái cánh kép tương tự "Aerial Torpedo" nhưng nhẹ hơn
và mang tải trọng nổ 82 kg được sử dụng bởi quân đội Mỹ vào năm 1918.
Hình 1.2. Hệ thống UAV đầu tiên: Aerial Torpedo (a) và Kettering Bug (b)
Trong thập niên 1960, UAV bắt đầu được sử dụng cho mục đích do
thám trên lãnh thổ đối phương, ví dụ: "Ryan Firebee" (hình 1.3a) là loại UAV
có trang bị camera dùng để tiến hành theo chụp và theo dõi địa hình; máy bay
trực thăng không người lái "Gyrodyne DASH" (hình 1.3b) đã được thiết kế
đặc biệt mang ngư lôi tấn công tàu ngầm đối phương. Tiếp theo, UAV đã
được phát triển tiên tiến hơn cho các tác vụ trinh sát và giám sát tinh vi vào
thập niên 1970. Ngoài ra, các đặc tính về độ bền, an toàn và thời gian tự hành
đã trở thành nghiên cứu chính khi phát triển UAV bởi áp lực chiến tranh lạnh,
20
như: "MBLE Epervier" (hình 1.4a) được phát triển ở Bỉ, có một động cơ phản
lực loại nhỏ, hệ thống lái tự động được lập trình sẵn, camera ánh sang ban
ngày và quét hồng ngoại. UAV dạng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL)
cũng được phát triển trong những năm này, nhưng phạm vi hoạt động của
chúng hẹp hơn, như: "Westland Wisp" (hình 1.4b) là máy bay lên thẳng đối
xứng và mang camera để gửi hình ảnh và dữ liệu theo thời gian thực cho các
nhà phân tích và điều hành; nó có lợi thế đặc biệt khi mà lơ lửng để thực hiện
tác vụ giám sát.
Hình 1.3. UAV thập niên 1960s: Ryan Firebee (a) và Gyrodyne DASH (b)
Hình 1.4. UAV thập niên 1970s: MBLE Epervier (a) và Westland Wisp (b)
Trong thập niên 1980, các hệ thống UAV giám sát và định vị càng trở
nên tiên tiến, như: "Canadair CL-89" (hình 1.5a) được sử dụng để cung cấp
thông tin tình báo trực quan không theo thời gian thực của lãnh thổ đối
phương trong bán kính hoạt động của 70 km. Hệ thống dẫn đường và định vị
của UAV này đã được thực thi bằng một chương trình điều khiển cài đặt sẵn
trên thiết bị lái tự động được hỗ trợ bởi cảm biến hướng, tốc độ và độ cao.
Các phiên bản sau của "Canadair CL-89" đã đạt được truyền hình ảnh và dữ
liệu thời gian thực và có hỗ trợ bởi hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Ngành
công nghiệp hàng không Do Thái đã phát triển "IAI Scout" UAV (hình 1.5b);
nó là loại máy bay động cơ-piston với sải cánh dài 4,0m được làm bằng sợi
21
