BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ
ĐẶNG CƠNG VỤ
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
ĐẢM BẢO AN TOÀN BAY CHO UAV CỠ NHỎ
TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ NHIỄU ĐỘNG GIÓ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9 52 02 16
TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2018
Cơng trình được hồn thành tại:
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Lê Thanh Phong
2. GS.TSKH Nguyễn Đức Cương
Phản biện 1: GS.TS Phan Xuân Minh
Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS Bùi Xn Khoa
Học viện Phịng khơng – Khơng quân
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
Đại học Bách khoa Hà Nội
Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học
viện theo quyết định số 3783/QĐ-HV, ngày 30 tháng 10 năm
2018 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện
Kỹ thuật Quân sự.
Vào hồi … giờ … ngày …. tháng ….năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, UAV cỡ nhỏ được sử dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực
dân sự và quân sự. Đặc điểm của các loại UAV cỡ nhỏ thường bay
với tốc độ nhỏ (vài chục m/s) nên có tải trọng riêng trên một m2 cánh
(G/S) nhỏ và phải bay với góc tấn khá lớn. Vì vậy, nhiễu động gió có
ảnh hưởng rất lớn tới chuyển động của UAV cỡ nhỏ. Nói cách khác,
UAV càng nhẹ và có cánh to thì càng dễ bị ảnh hưởng của nhiễu
động gió. Đây là nguyên nhân có thể dẫn tới chế độ bay nguy hiểm
và mất an toàn bay. Gió là sự chuyển động tương đối của khơng khí
so với mặt đất. Chuyển động của khơng khí là do sự chênh lệch áp
suất khí quyển gây ra. Nhiễu động gió (atmospheric turbulence,
турбулентность атмосферы) được hiểu là những dịng khơng khí
chuyển động hỗn loạn trong khí quyển. Nhiễu động gió có tham số
thay đổi theo khơng gian hoặc thời gian hoặc cả hai. Vấn đề này rất
quan trọng khi sử dụng UAV cỡ nhỏ trong điều kiện của Việt Nam,
do điều kiện khí hậu nhiệt đới và địa hình nhiều đồi núi khi bay ở độ
cao thấp thường gặp nhiều nơi có nhiễu động gió mạnh và thay đổi
phức tạp. Điều này ảnh hưởng đến an toàn bay (ATB) và hạn chế
đáng kể đến khả năng sử dụng an toàn của UAV cỡ nhỏ trong điều
kiện có nhiễu động gió. Trong phạm vi luận án chỉ nghiên cứu vấn
đề ATB cho UAV cỡ nhỏ liên quan đến nhiễu động gió trong khí
quyển. Khi đó, ATB của UAV cỡ nhỏ được đánh giá theo các tham
số: góc tấn khơng tốc r , góc trượt khơng tốc r và q tải. Giới
hạn ATB của UAV cỡ nhỏ trong luận án được quy định như sau:
150 r , r 150 , 1 ny 3.5 , 1 nz 1 . Khi góc tấn khơng
tốc, góc trượt khơng tốc vượt q giới hạn cho phép dẫn đến UAV
mất điều khiển (bị “thất tốc”), khi quá tải vượt quá giới hạn chịu tải
của kết cấu máy bay sẽ dẫn đến UAV bị phá hủy kết cấu. Cho nên,
trong luận án đặt ra vấn đề là khi đang bay gặp nhiễu động gió tạm
thời khơng duy trì quỹ đạo bay đã định, cần ưu tiên duy trì góc tấn
1
khơng tốc, góc trượt khơng tốc và q tải trong giới hạn cho phép để
đảm bảo ATB cho UAV, tránh để UAV mất điều khiển hoặc bị phá
hủy kết cấu. Nhiễu động gió trong khí quyển có tham số nhiễu động
mang yếu tố ngẫu nhiên. Vì vậy, yêu cầu cấp thiết được đặt ra trong
luận án là nghiên cứu thuật tốn điều khiển thích nghi (ĐKTN) để
duy trì góc tấn khơng tốc, góc trượt khơng tốc và q tải trong giới
hạn cho phép và giảm thiểu tác động của nhiễu động gió đến UAV.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, bài tốn “Tổng hợp bộ điều
khiển thích nghi đảm bảo an toàn bay cho UAV cỡ nhỏ trong điều
kiện có nhiễu động gió” được đặt ra và giải quyết trong luận án.
2. Mục đích của đề tài
- Về lý thuyết: nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến
ATB của UAV cỡ nhỏ; tổng hợp thuật toán điều khiển theo quỹ đạo
trong chuyển động dọc và chuyển động cạnh; tổng hợp thuật tốn
điều khiển thích nghi theo q tải đứng và quá tải ngang nhằm giảm
thiểu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB của UAV cỡ nhỏ.
- Về thực nghiệm: mơ phỏng, khảo sát trên máy tính bằng công
cụ Simulink; đánh giá hiệu quả của bộ ĐKTN đối với việc đảm bảo
ATB và giảm thiểu tác động của nhiễu động gió đến UAV cỡ nhỏ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là UAV cỡ nhỏ loại cánh cố định.
- Nghiên cứu chuyển động của UAV trong kênh chuyển động
dọc, chuyển động cạnh có kênh cren được ổn định lý tưởng;
- Nghiên cứu ATB của UAV cỡ nhỏ do nhiễu động gió;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB của UAV
cỡ nhỏ trong giai đoạn bay hành trình.
- Nhiễu động gió trong từng lần UAV gặp phải là quá trình dừng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu chuyển động của UAV khi có nhiễu động gió.
- Nghiên cứu các thuật tốn ĐKTN để điều khiển UAV trong
điều kiện có nhiễu động gió.
2
- Mô phỏng bằng công cụ Simulink và thử nghiệm trên máy tính,
đánh giá hiệu quả của thuật tốn điều khiển đề xuất để đảm bảo ATB
cho UAV khi có nhiễu động gió.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: luận án xây dựng mơ hình động lực học bay
của UAV cỡ nhỏ trong điều kiện có nhiễu động gió và khảo sát ảnh
hưởng của các tham số nhiễu động gió trong các trường hợp ứng
dụng các thuật toán điều khiển khác nhau. Trên cơ sở đó, đề xuất các
thuật tốn điều khiển phù hợp để nâng cao ATB cho UAV cỡ nhỏ.
- Ý nghĩa thực tiễn: đề xuất giải pháp ứng dụng thuật toán điều
khiển thích nghi để duy trì góc tấn khơng tốc, góc trượt không tốc và
quá tải của UAV cỡ nhỏ trong phạm vi cho phép khi có nhiễu động
gió. Giải pháp này làm giảm đáng kể xác suất xảy ra tai nạn do nhiễu
động gió và mở rộng khả năng sử dụng UAV cỡ nhỏ.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm: mở đầu, 4 chương, kết luận và 4 phụ lục. Nội dung
luận án được trình bày trong 146 trang in khổ A4.
Chương 1. Gió, nhiễu động gió và ảnh hưởng đến an toàn bay
của UAV cỡ nhỏ
Chương 2. Xây dựng mơ hình động lực học vịng điều khiển kín
của UAV trong điều kiện có nhiễu động gió
Chương 3. Tổng hợp thuật tốn điều khiển cho UAV trong điều
kiện có nhiễu động gió
Chương 4. Mơ phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả nâng cao an
toàn bay cho UAV cỡ nhỏ trên máy tính
CHƯƠNG 1
GIĨ, NHIỄU ĐỘNG GIĨ VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN AN
TOÀN BAY CỦA UAV CỠ NHỎ
1.1 Các hệ tọa độ
Các hệ tọa độ được sử dụng để nghiên cứu chuyển động của
UAV trong khí quyển: hệ tọa độ mặt đất cố định Ooxoyozo; hệ tọa độ
3
chuẩn Oxgygzg; hệ tọa độ liên kết Oxyz; hệ tọa độ tốc độ Oxryrzr; hệ
tọa độ quỹ đạo Oxkykzk.
1.2 Gió và nhiễu động gió trong khí quyển
Gió là sự chuyển động tương đối của khơng khí so với mặt đất.
Chuyển động của khơng khí là do sự chênh lệch áp suất khí quyển
gây ra. Khi gió có các tham số thay đổi theo không gian hoặc thời
gian hoặc cả hai thì được gọi là nhiễu động gió. Do UAV thường bay
qua vùng nhiễu động gió trong thời gian ngắn hơn nhiều (một vài
phút) so với thời gian thay đổi của nhiễu động gió (vài chục phút)
nên trong phạm vi luận án coi trường nhiễu động là trường dừng và
nhiễu động gió có các tham số khơng thay đổi theo thời gian.
1.2.1 Đặc tính chung của nhiễu động khí quyển
Hình 1.5. Sơ đồ dịng nhiễu động khơng khí trên bề mặt Trái đất
Nguyên nhân gây ra nhiễu động trong khí quyển [42]:
- Do bức xạ nhiệt và hệ số hấp thụ nhiệt khơng đều trên mặt đất;
- Do địa hình mặt đất khơng bằng phẳng;
- Do va chạm các luồng khí với các đám mây;
- Khi thiết bị bay (TBB) bay trong đội hình.
Nhiễu động gió trong khí quyển thay đổi theo độ cao và thay đổi
theo thời gian trong ngày (Hình 1.6, hình 1.7).
4
y g ,m
HL
0 3km
1
10
36
1
400
6 9
10 1
300
3
9 12
10 2
10 3
12 15
200
10 4
100
2
10 5
10
0
2
6
10 7
0
5
10
W( m / s )
Hình 1.6. Tần suất xuất hiện các
dịng nhiễu động gió theo độ cao
4
6
8 W0 ,m / s
1- ngày (từ 10 đến 17 giờ); 2- đêm
(từ 22 đến 5 giờ); 3- một ngày đêm
Hình 1.7. Biểu đồ tốc độ gió ở các độ
cao thấp
1.2.2 Mơ tả phân tích động học gió và nhiễu động gió trong khí
quyển
Véc tơ tốc độ gió đầy đủ W được biểu diễn như sau:
W W0 w
(1.6)
Khi nghiên cứu nhiễu động gió trong khí quyển sử dụng phương
pháp gió ngẫu nhiên liên tục và sử dụng giả thiết [49], [44]:
+ Trường tốc độ gió là đồng nhất và đẳng hướng;
+ Trường tốc độ gió của nhiễu động khí quyển được coi là
trường dừng tức là khơng thay đổi theo thời gian [42].
1.2.2.1 Thành phần gió khơng đổi
Thành phần gió khơng đổi W0 là thành phần gió có giá trị tốc độ
gió khơng đổi theo thời gian và khơng gian. Tuy nhiên, thành phần
gió khơng đổi thường không phản ánh đầy đủ các điều kiện bay thực
của TBB. Thành phần gió khơng đổi được sử dụng để đánh giá ảnh
hưởng của gió đến quỹ đạo chuyển động của TBB so với mặt đất và
không đánh giá được ảnh hưởng đến ATB.
1.2.2.2 Thành phần gió thay đổi
Thành phần thay đổi w là thành phần gió có tốc độ thay đổi và
có quy mơ nhiễu động nhỏ, thành phần này đặc trưng cho tính nhiễu
động của gió. Trong thực tế, thành phần thay đổi w là 1 hàm ngẫu
nhiên không dừng. Tuy nhiên, như đã được giả thiết ở trên là trường
5
ngẫu nhiên dừng, nghĩa là trong từng lần UAV gặp nhiễu động gió
coi các tham số nhiễu động gió khơng thay đổi theo thời gian.
1.2.3 Mơ hình tốn học của nhiễu động gió
- Mơ hình nhiễu động gió bậc thang:
0
Wy
Wyo
0
Wz
Wzo
khi xo xo*
(1.33a)
khi xo xo*
khi xo xo*
(1.33b)
khi xo xo*
- Mơ hình nhiễu động gió hình sin:
Wy
2 xo xo*
Wyo
1 cos
2
L
(1.35a)
Wz
Wzo
2
2 xo xo*
1 cos
L
(1.35b)
xo* - tọa độ điểm bắt đầu có nhiễu động gió.
L - quy mơ nhiễu động, m. Trong luận án để đánh giá ảnh hưởng
của nhiễu động gió đến ATB của UAV cỡ nhỏ sẽ lựa chọn quy mô
nhiễu động L>5m và biên độ nhiễu động Wyo, Wzo<15m/s.
1.3 Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến động lực học bay của
UAV
1.3.1 Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến chuyển động của UAV
Nhiễu động gió ảnh hưởng đến khơng tốc Vr , góc tấn khơng tốc
r và góc trượt khơng tốc r , do đó ảnh hưởng đến lực khí động và
mơ men khí động.
1.3.2 Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến an tồn bay của UAV
- Xét nhiễu động gió đứng thổi thẳng đứng từ dưới lên, góc tấn
khơng tốc và độ lớn của véc tơ khơng tốc được tính như sau:
(1.45)
r w với w arctg(Wy Vk ) Wy Vk
(1.46)
Vr Vk2 Wy2
6
- Tương tự khi xét nhiễu động gió ngang, góc trượt không tốc và
độ lớn của véc tơ không tốc được tính như sau:
(1.47)
r w với w arctg(Wz Vk ) Wz Vk
Vr Vk2 Wz2
(1.48)
- Khi có nhiễu động gió đứng, quá tải đứng tăng lên 1 lượng:
ny
Y C y Vr
Wy
G
2G
S
(1.51)
Khi có nhiễu động gió TBB bay với góc tấn khơng tốc (góc trượt
khơng tốc) lớn có thể dẫn tới TBB bị mất điều khiển (bị “thất tốc”)
và quá tải tăng có thể vượt quá giá trị cho phép theo điều kiện độ bền
kết cấu. Yêu cầu đặt ra là cần thay đổi thuật tốn điều khiển để duy
trì góc tấn khơng tốc, góc trượt khơng tốc và q tải trong phạm vi
cho phép trong điều kiện có nhiễu động gió với tham số nhiễu động
không biết trước.
1.4 Giải pháp nâng cao ATB cho UAV khi có nhiễu động gió
Trong các phương pháp giảm quá tải đứng gây ra bởi nhiễu động
gió đứng, trên UAV cỡ nhỏ để nâng cao ATB sử dụng phương pháp:
thay đổi luật điều khiển để điều khiển cánh lái độ cao làm thay đổi
lực nâng, tín hiệu điều khiển có dạng như sau [42]:
c i
.
d
i (0 ) in ny
dt
(1.53)
Để thích nghi với sự thay đổi của nhiễu động gió trong khí
quyển, trong luận án sẽ lựa chọn sử dụng thuật toán ĐKTN để điều
khiển theo tín hiệu quá tải đứng. Trong kênh chuyển động cạnh, do
quá tải ngang (được đo bởi gia tốc kế) xấp xỉ tỉ lệ thuận với góc trượt
khơng tốc nên để duy trì góc trượt khơng tốc trong giới hạn cho
phép, luận án thực hiện điều khiển quá tải ngang.
1.5 Đặt bài toán nghiên cứu
Bài toán thứ nhất: xây dựng mơ hình động lực học vịng điều
khiển kín của UAV cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió bằng công cụ
Simulink.
7
Bài toán thứ hai: tổng hợp thuật toán ĐKTN theo tín hiệu q tải
của UAV cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió. Đánh giá hiệu quả nâng cao
ATB cho UAV cỡ nhỏ của bộ ĐKTN đã tổng hợp so với bộ điều
khiển theo quỹ đạo.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nhiễu động gió
đến chuyển động và ATB của UAV. Khi có nhiễu động gió có thể
làm UAV mất điều khiển hoặc bị phá hủy kết cấu và dẫn tới mất
ATB cho UAV. Cho nên, trong điều kiện có nhiễu động gió, việc
đảm bảo ATB cho UAV phải đặt lên hàng đầu: đảm bảo độ bền kết
cấu và khơng để góc tấn khơng tốc, góc trượt khơng tốc vượt q giá
trị cho phép. Giải pháp được đưa ra để nâng cao ATB cho UAV cỡ
nhỏ: khi có nhiễu động gió cần thay đổi luật điều khiển để điều khiển
cánh lái độ cao (cánh lái hướng), trong luật điều khiển sẽ bổ sung
thành phần tín hiệu tỷ lệ với quá tải tác động vào tâm khối TBB.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VỊNG ĐIỀU
KHIỂN KÍN CỦA UAV TRONG ĐIỀU KIỆN CĨ NHIỄU
ĐỘNG GIĨ
Sơ đồ vịng điều khiển kín của UAV:
xo , yo ,zo , , ,
c , h , l
nx ,n y ,n z , x , y , z
W
x*o , y*o ,z*o ,* , * , *
uc ,uh ,ul
*x ,*y ,*z ,n*x ,n*y ,n*z
Hình 2.1. Sơ đồ khối vịng điều khiển kín của UAV
2.1 Mơ hình tốn của UAV như một đối tượng điều khiển
2.1.1 Các lực và mô men tác dụng lên UAV khi bay
Khi có nhiễu động gió, véc tơ không tốc Vr không trùng với véc
tơ địa tốc Vk . Khi đó các lực khí động và mơ men khí động tính theo
khơng tốc Vr , góc tấn khơng tốc r , góc trượt khơng tốc r .
8
2.1.2 Hệ phương trình chuyển động của UAV trong khơng gian
Hệ phương trình vi phân (HPTVP) chuyển động của UAV trong
khơng gian bao gồm 12 phương trình vi phân và 3 phương trình
lượng giác siêu việt.
2.1.3 Quá tải tác động lên UAV
Thành phần quá tải đứng trong hệ tọa độ liên kết:
ny
Yr C yr r .qa .S
G
G
(2.25)
Từ biểu thức (2.25) thấy rằng, thành phần quá tải đứng ny xấp xỉ
tỷ lệ thuận với r , tương tự sẽ có thành phần quá tải ngang nz xấp xỉ
tỉ lệ thuận với r . Như vậy, để điều khiển theo r , r có thể thực
hiện điều khiển thông qua ny, nz (do ny, nz được đo trực tiếp bởi các
gia tốc kế).
2.2 Mơ hình tốn chuyển động dọc và chuyển động cạnh của
UAV
2.2.1 Mơ hình chuyển động dọc của UAV
Trong trường hợp có nhiễu động gió thẳng đứng tác động,
HPTVP chuyển động dọc của UAV giống như HPTVP chuyển động
dọc của UAV khi khơng có nhiễu động gió và chỉ khác là trong các
biểu thức liên quan đến lực nâng, lực cản và mô men khí động thay
Vr2 Vk2 Wy2 và thay bằng r .
2.2.2 Mơ hình chuyển động cạnh của UAV
Trong trường hợp có nhiễu động gió cạnh tác động, HPTVP
chuyển động cạnh của UAV giống như HPTVP chuyển động cạnh
của UAV khi khơng có nhiễu động gió và chỉ khác là trong các biểu
thức liên quan đến lực dạt, lực cản và mơ men khí động thay
Vr2 Vk2 Wz2 và thay bằng r .
2.3 Thuật toán điều khiển UAV
- Kênh điều khiển độ cao:
.
.
uc K p . H th H ct K d . H th H ct K i . H th H ct .dt u yo koz .z (2.32)
9
- Kênh điều khiển hướng:
(2.33)
* K z .( zo zct ) K .( ct ) K iz ( zo zct )dt K y . y
- Kênh điều khiển tốc độ (khi thay đổi độ cao)
T K o KV .Vk Vbb .Tmax KT .Tmax
(2.34)
2.4 Mơ phỏng vịng điều khiển kín của UAV
2.4.1 Dữ liệu đầu vào mô phỏng
Các thông số của UAV cỡ nhỏ được sử dụng trong luận án dựa
theo mơ hình UAV cỡ nhỏ giả định “UAV-70V”, đây là loại UAV cỡ
nhỏ làm nhiệm vụ giám sát từ xa do Hội Hàng không vũ trụ Việt
Nam nghiên cứu, chế tạo.
2.4.2 Mơ hình mơ phỏng động lực học vịng điều khiển kín của
UAV trong mơi trường Matlab-Simulink
xo xo* ?
xo xo* ?
Vr Vk
r
r w
Vr
Vk2 W y2
Vr Vk
(1.45)
(1.46)
r
r w
Vr
Vk2 Wz2
( 1.47 )
(1.48)
t tmp ?
t tmp ?
Hình 2.7. Lưu đồ thuật tốn mơ
phỏng động lực học vịng điều khiển
kín kênh chuyển động dọc của UAV
10
Hình 2.8. Lưu đồ thuật tốn mơ
phỏng động lực học vịng điều
khiển kín kênh chuyển động cạnh
của UAV
Mơ hình mơ phỏng vịng điều khiển kín kênh chuyển động dọc
và kênh chuyển động cạnh của UAV trong Simulink được xây dựng
theo lưu đồ thuật tốn như trên hình 2.7, hình 2.8.
2.4.2.1. Phân tích định tính mơ hình mơ phỏng động lực học vịng
điều khiển kín chuyển động dọc của UAV
Thơng qua đáp ứng của mơ hình chuyển động dọc của UAV cho
thấy rằng:
- Chiều hướng thay đổi của các đại lượng trên kênh chuyển động
dọc được mô phỏng hoàn toàn phù hợp với quy tắc dấu của UAV.
- UAV bám theo được độ cao mong muốn với sai lệch nhỏ.
- Mơ hình mơ phỏng vịng điều khiển kín kênh chuyển động dọc
được ổn định khi có tác động từ bên ngồi.
2.4.2.2 Phân tích định tính mơ hình mơ phỏng động lực học vịng
điều khiển kín chuyển động cạnh của UAV
Thơng qua đáp ứng của mơ hình chuyển động cạnh của UAV
cho thấy rằng:
- Chiều hướng thay đổi của các đại lượng trên kênh chuyển động
cạnh được mô phỏng hoàn toàn phù hợp với quy tắc dấu của UAV.
- Bằng cách sử dụng góc nghiêng nhỏ (khoảng vài độ), UAV đổi
hướng nhanh chóng và bám được theo quỹ đạo mong muốn.
- Mơ hình mơ phỏng vịng điều khiển kín chuyển động cạnh của
UAV được ổn định khi có tác động ngồi.
2.4.3 Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu động gió đến an toàn bay
UAV khi sử dụng bộ điều khiển theo quỹ đạo
2.4.3.1 Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB trong kênh dọc
- Kết quả đánh giá sự thay đổi độ ATB theo quy mơ nhiễu động:
Hình 2.18. Sự thay đổi quá tải
đứng lớn nhất theo L
Hình 2.19. Sự thay đổi góc tấn
khơng tốc lớn nhất theo L
11
Nhận xét: Kết quả trên hình 2.18, 2.19 cho thấy rằng, khi nhiễu
động gió có quy mơ nhiễu động nhỏ có thể dẫn đến UAV mất ATB.
- Kết quả mơ phỏng khi biên độ nhiễu động gió thay đổi:
Hình 2.20. Quỹ đạo bay
khi Wyo=7.62m/s
Hình 2.21. Quỹ đạo
bay khi Wyo=15m/s
Hình 2.22. Góc tấn
khơng tốc khi
Wyo=7.62m/s
Hình 2.23. Góc tấn
khơng tốc khi
Wyo=15m/s
Hình 2.24. Quá tải
đứng ny khi
Wyo=7.62m/s
Hình 2.25. Quá tải
đứng ny khi
Wyo=15m/s
Nhận xét: Kết quả mơ phỏng trên hình 2.20-2.25 cho thấy rằng,
khi nhiễu động gió có quy mơ nhiễu động nhỏ hoặc biên độ nhiễu
động lớn dẫn đến góc tấn khơng tốc vượt quá giới hạn cho phép và
UAV có thể bị mất ATB.
2.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến an toàn bay trong chuyển
động cạnh
- Kết quả đánh giá sự thay đổi độ ATB theo quy mơ nhiễu động:
Hình 2.26. Sự thay đổi góc trượt khơng
tốc lớn nhất theo L
Hình 2.27. Sự thay đổi quá tải
ngang lớn nhất theo L
Nhận xét: Kết quả trên hình 2.26, 2.27 cho thấy rằng, ở khoảng
quy mô nhiễu động xung quanh quy mô nhiễu động L=140m, độ lớn
góc trượt khơng tốc tăng nhiều nhất và dễ dẫn đến góc trượt khơng
tốc vượt q giá trị cho phép.
12
- Kết quả mô phỏng khi biên độ nhiễu động gió thay đổi:
Hình 2.28. Quỹ đạo bay
khi Wzo=7.62m/s
Hình 2.29. Quỹ đạo
bay khi Wzo=12m/s
Hình 2.30. Góc trượt
khơng tốc khi
Wzo=7.62m/s
Hình 2.31. Góc trượt
khơng tốc khi
Wzo=12m/s
Hình 2.32. Q tải
ngang nz khi
Wzo=7.62m/s
Hình 2.33. Q tải
ngang nz khi
Wzo=12m/s
Nhận xét: Kết quả trên hình 2.28-2.33 cho thấy rằng, quá tải
ngang rất nhỏ, do đó nhiễu động gió ảnh hưởng khơng đáng kể đến
độ bền kết cấu. Kết quả mô phỏng cũng cho ta thấy rằng độ ATB phụ
thuộc vào quy mô nhiễu động và biên độ nhiễu động và ở khoảng
quy mô nhiễu động xung quanh L=140m, góc trượt khơng tốc của
thiết bị bay thay đổi nhiều nhất.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã mô phỏng động lực học vịng điều khiển kín của
UAV cỡ nhỏ giả định bằng cơng cụ Simulink. Mơ hình mơ phỏng
động lực học vịng điều khiển kín của UAV sẽ được sử dụng trong
luận án để tiến hành bay thử nghiệm trên máy tính thay thế cho q
trình bay thử nghiệm trên mơ hình thực của UAV. Qua kết quả khảo
sát trong chương 2 đã cho thấy rằng, khi sử dụng các bộ điều khiển
theo quỹ đạo trong điều kiện có nhiễu động gió tác động với quy mơ
nhiễu động và biên độ nhiễu động khác nhau có thể làm cho UAV
mất ATB (góc tấn khơng tốc, góc trượt khơng tốc và quá tải vượt quá
giá trị cho phép). Do đó, khi có nhiễu động gió, UAV tạm thời khơng
13
duy trì quỹ đạo bay ban đầu và ưu tiên đảm bảo ATB. Để bảo đảm
ATB cho UAV, cần thiết phải thay đổi thuật toán điều khiển trên
kênh điều khiển có sẵn. Vấn đề này sẽ được giải quyết trong chương
3 và chương 4 của luận án.
CHƯƠNG 3
TỔNG HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN CHO UAV TRONG
ĐIỀU KIỆN CĨ NHIỄU ĐỘNG GIĨ
3.1 Tổng quan điều khiển thích nghi
3.1.1 Khái niệm và phân loại hệ điều khiển thích nghi
Hệ ĐKTN là hệ điều khiển tự động xác định luật điều khiển
thích hợp bằng cách phân tích trạng thái của đối tượng khi được điều
khiển tức thời. Hệ ĐKTN có thể chia ra thành 2 loại lớn [60], [62]:
- Hệ thích nghi theo cấu trúc;
- Hệ thích nghi tự hiệu chỉnh (CHC).
3.1.2 Xây dựng bài tốn tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trực
tiếp với mơ hình tham chiếu tường minh
ym ( t )
r( t )
W
u( t )
y( t )
e( t )
( t )
Hình 3.1. Sơ đồ tổng qt hệ điều khiển thích nghi trực tiếp với MHTC
tường minh
Mục đích điều khiển được cho ở dạng:
lim
e( t ) 0 hoặc q khi t t* , 0
t
(3.4)
3.1.3 Thuật tốn điều khiển thích nghi sử dụng phương pháp hiệu
chỉnh tham số theo luật MIT
Luật hiệu chỉnh MIT:
14
T
T
d
d
e
e
(3.6)
MIT e
MIT sgn( e )
hoặc
dt
dt
3.1.4 Thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng phương pháp tốc
độ gradient với mơ hình tham chiếu tường minh
Sử dụng cách tiếp cận trực tiếp để tổng hợp, chọn tham số được
hiệu chỉnh của bộ điều khiển ( t ) col k y ( t ),kr ( t ) . Khi đó cấu
trúc mạch chính có dạng:
(3.12)
u( t ) k y ( t )y( t ) kr ( t )r( t )
Các tham số hiệu chỉnh sẽ nhận được như sau:
dk y
d
1 BT Hey T 3 ( BT Hey T )
dt
dt
dkr
d
2 BT Her T 4 ( BT Her T )
dt
dt
(3.16)
3.1.5 Điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương
pháp bù nối tiếp
3.1.5.1 Mơ tả thuật tốn bù nối tiếp
Luật điều khiển được sử dụng như sau [64]-[71]:
(3.20)
utn b ( p ).( k ).eˆ
1 . 2
2 .3
. k . k . k
1 1
2
2
1
eˆ 1
td
(3.21)
td
1
. 1 k1 .e
(3.22)
Viết hệ (3.21), (3.22) ở dạng véc tơ – ma trận:
. . d .k .e
(3.23)
eˆ hT .
(3.24)
b
1
15
. b . d .k1 .e
eˆ
eˆ hT .
b ( p ). k
e
u0
utn
y
b( p )
a( p )
ym
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương
pháp bù nối tiếp
3.1.5.2 Hiệu chỉnh thích nghi các hệ số của bộ điều khiển
Các hệ số k , , được hiệu chỉnh như sau [67], [70], [71]:
t
t ) ( )d
k(
b
(3.25)
0
0 khi e( t ) b
0 khi e( t ) b
b ( t )
( 0 0 )
2 với 0
0 .k
0
3.26)
(3.27)
3.2 Tổng hợp thuật toán ĐKTN cho kênh chuyển động dọc của
UAV khi có nhiễu động gió đứng
3.2.1 Thiết lập bài tốn
Trong kênh chuyển động dọc, để duy trì góc tấn khơng tốc trong
giới hạn cho phép trong luận án thực hiện thơng qua điều khiển q
tải đứng để duy trì q tải đứng trong giới hạn cho phép. Mục đích
điều khiển đặt ra là:
(3.28)
lim( n y n ym ) 0
t
3.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi theo q tải đứng
3.2.2.1 Tổng hợp thuật tốn thích nghi sử dụng phương pháp hiệu
chỉnh tham số theo luật MIT
Tín hiệu điều khiển được tổng hợp như sau:
(3.38)
u ytn ( t ) .nyct MIT ( ny nym )nym .nyct dt
3.2.2.2 Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng phương
pháp tốc độ gradient
Lựa chọn bộ điều khiển như sau:
16
uytn(t) ky (t ).y(t ) kr (t ).nyct (t ) kn (t ).ny (t ) kn (t ).ny (t ) kn (t ).nyct (t )
y
y
(3.41)
yct
Các tham số cần hiệu chỉnh được xác định như sau:
dkn
y
dt
1 ( B 11 h11 B 21 h12 )e y 1 ( B 11 h12 B 21 h 22 )e y 2 n y ( t )
3
d k n
y
dt
yct
dt
(3.45)
1 ( B 1 1 h1 1 B 2 1 h12 )e y 1 ( B 1 1 h1 2 B 2 1 h 2 2 )e y 2 n y ( t )
3
dk n
d
( B 11 h11 B 21 h12 )e y 1 ( B 11 h12 B 21 h 22 )e y 2 n y ( t )
dt
d
( B 1 1 h1 1 B 2 1 h1 2 )e y 1 ( B 11 h1 2 B 2 1 h 2 2 )e y 2 n y ( t )
dt
2 ( B 11 h11 B 21 h12 )e y 1 ( B 1 1 h1 2 B 2 1 h 2 2 )e y 2 n yct ( t )
4
d
( B 1 1 h1 1 B 2 1 h1 2 )e y 1 ( B 11 h12 B 21 h 22 )e y 2 n yct ( t )
dt
3.2.2.3 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra ny sử
dụng phương pháp bù nối tiếp khi có nhiễu động gió
Thuật tốn điều khiển được tổng hợp như sau:
u ytn by ( p ).(k y y ).eˆy ( p 1).(k y y ).eˆy ( p 1).ky .eˆy
(eˆ eˆ )k
(3.47)
y1 y .( k y1 . y1 k y1 .ey )
(3.48)
eˆy y1
(3.49)
y
y
y
3.3 Tổng hợp thuật toán ĐKTN cho kênh chuyển động cạnh của
UAV khi có nhiễu động gió cạnh
Trên cơ sở những ưu điểm của thuật toán ĐKTN theo tín hiệu
đầu ra sử dụng phương pháp bù nối tiếp, trong chuyển động cạnh
luận án sẽ ứng dụng bộ ĐKTN sử dụng phương pháp bù nối tiếp để
nâng cao ATB khi có nhiễu động gió cạnh.
3.3.1. Thiết lập bài tốn
Mục đích điều khiển:
(3.51)
limez ( t ) lim( nz nzm ) 0
t
t
17
3.3.2 Tổng hợp thuật tốn thích nghi theo tín hiệu đầu ra nz sử
dụng phương pháp bù nối tiếp
Thuật toán ĐKTN sử dụng phương pháp bù nối tiếp:
u ztn bz ( p).( k z z ).eˆz ( p 1).( k z z ).eˆz ( p 1).kz .eˆz (3.60)
(kz .eˆz kz .eˆz ) kz .eˆz
z1 z .( k z1 . z1 k z1 .ez )
( 3.61)
eˆz z1
(3.62)
Kết luận chương 3
Trên cơ sở lý thuyết về ĐKTN, chương 3 đã tổng hợp các bộ
ĐKTN cho kênh chuyển động dọc và kênh chuyển động ngang của
UAV khi có nhiễu động gió. Khi có nhiễu động gió với biên độ nhiễu
động và quy mơ nhiễu động khác nhau, nếu sử dụng các bộ điều
khiển theo quỹ đạo có thể dẫn tới UAV mất ATB. Do đó, để nâng
cao ATB, UAV tạm thời khơng duy trì quỹ đạo ban đầu và chuyển
sang điều khiển theo quá tải. Các bộ ĐKTN được tổng hợp trong
chương 3 của luận án sẽ đảm bảo duy trì quá tải trong giới hạn cho
phép và đồng nghĩa với duy trì góc tấn và góc trượt khơng tốc trong
giới hạn cho phép. Hiệu quả nâng cao ATB của các bộ ĐKTN đã
được tổng hợp trong chương 3 sẽ được thể hiện trong chương 4.
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NÂNG CAO
AN TỒN BAY CHO UAV CỠ NHỎ TRÊN MÁY TÍNH
4.1 Mô phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả nâng cao ATB cho
UAV trong kênh chuyển động dọc khi có nhiễu động gió đứng
4.1.1 Thơng số đầu vào và sơ đồ mô phỏng các bộ ĐKTN
Tham số của các bộ ĐKTN (ĐKTN sử dụng phương pháp hiệu
chỉnh tham số theo luật MIT, ĐKTN sử dụng phương pháp tốc độ
gradient, ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương pháp bù nối
tiếp) được lựa chọn bằng cơng cụ tối ưu hóa Simulink Response
Optimization trong Simulink.
18
4.1.2 Kiểm tra độ ổn định của chương trình mơ phỏng
Để kiểm tra định tính tính ổn định của chương trình mơ phỏng,
sử dụng mơ hình nhiễu động gió dọc bậc thang (1.33a). Kết quả khảo
sát cho thấy rằng chương trình được ổn định với tác động bên ngồi.
4.1.3 Đánh giá an tồn bay của UAV khi có nhiễu động gió đứng
hình sin
- Kết quả khảo sát với biên độ nhiễu động gió Wyo=7.62 m/s
Hình 4.12. Góc tấn khơng tốc và q tải đứng khi L=40m
Hình 4.13. Góc tấn khơng tốc và q tải đứng khi L=33m
Hình 4.14. Góc tấn không tốc và quá tải đứng khi L=25m
- Kết quả khảo sát với biên độ nhiễu động gió Wyo=9 m/s
Hình 4.15. Góc tấn khơng tốc và q tải đứng khi L =40m
Hình 4.16. Góc tấn khơng tốc và q tải đứng khi L =33m
19
Hình 4.17. Góc tấn khơng tốc và q tải đứng khi L =25m
Nhận xét: Kết quả khảo sát trên hình 4.12-4.17 trong kênh
chuyển động dọc khi có nhiễu động gió đứng hình sin cho thấy rằng,
nếu sử dụng các bộ ĐKTN theo quá tải đứng đảm bảo duy trì quá tải
đứng và góc tấn khơng tốc trong giới hạn cho phép. Kết quả cũng
cho thấy, sử dụng các bộ ĐKTN theo quá tải đứng có thể mở rộng
khả năng sử dụng UAV khi có nhiễu động gió. Hơn nữa, theo kết quả
khảo sát thấy rằng, hiệu quả điều khiển để bảo đảm ATB cho UAV
đối với các bộ ĐKTN theo quá tải đứng đã xét ở trên là hoàn toàn
tương đương nhau. Tuy nhiên, xuất phát từ ưu điểm của ĐKTN theo
tín hiệu đầu ra sử dụng phương pháp bù nối tiếp nên luận án sẽ lựa
chọn sử dụng ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương pháp bù
nối tiếp để khảo sát ảnh hưởng của nhiễu động đến ATB của UAV.
4.2 Mô phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả nâng cao an toàn bay
cho UAV trong kênh chuyển động cạnh khi có nhiễu động gió
cạnh
4.2.1 Thơng số đầu vào mơ hình mơ phỏng
Các tham số của bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra nz sử dụng
phương pháp bù nối tiếp được lựa chọn bằng công cụ tối ưu hóa
Simulink Response Optimization trong Simulink.
4.2.2 Kiểm tra độ ổn định của chương trình mơ phỏng
Để kiểm tra định tính tính ổn định của vịng điều khiển kín với
bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra nz sử dụng mơ hình nhiễu động gió
bậc thang (1.33b) trong mặt phẳng ngang. Kết quả phản ứng của
UAV cho thấy rằng, vịng điều khiển kín chuyển động cạnh của
UAV cỡ nhỏ được ổn định khi có nhiễu động gió bậc thang tác động.
4.2.3 Đánh giá an tồn bay của UAV khi có nhiễu động gió cạnh
hình sin
20
Hình 4.26. Góc trượt
khơng tốc khi L=100m
và Wzo=7.62m/s
Hình 4.29. Góc trượt
khơng tốc khi L=100m
và Wzo=12m/s
Hình 4.32. Góc trượt
khơng tốc khi L=100m
và Wzo=15m/s
Hình 4.27. Góc trượt
khơng tốc khi L=140m
và Wzo=7.62m/s
Hình 4.30. Góc trượt
khơng tốc khi L=140m
và Wzo=12m/s
Hình 4.33. Góc trượt
khơng tốc khi L=140m
và Wzo=15m/s
Hình 4.28. Góc trượt
khơng tốc khi L=200m
và Wzo=7.62m/s
Hình 4.31. Góc trượt
khơng tốc khi L=200m
và Wzo=12m/s
Hình 4.34. Góc trượt
khơng tốc khi L=200m
và Wzo=15m/s
Nhận xét: Kết quả khảo sát trên hình 4.26-4.34 cho thấy rằng,
khi sử dụng bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra nz với phương pháp bù nối
tiếp làm giảm đáng kể độ lớn góc trượt khơng tốc, nâng cao ATB
cho UAV so với khi sử dụng điều khiển theo quỹ đạo.
4.3 Đánh giá hiệu quả nâng cao an toàn bay bằng thử nghiệm
Monte Carlo
Giả thiết chọn hàm mật độ xác suất theo biên độ nhiễu động và
quy mơ nhiễu động trong 2 trường hợp như trên hình 4.35 và 4.36
(trường hợp 1- “nhẹ nhàng”, trường hợp 2 – “khắc nghiệt”).
Kết quả thử nghiệm Monte Carlo đánh giá hiệu quả của thuật
tốn điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra quá tải đứng ny sử
dụng phương pháp bù nối tiếp (3.50) và thuật toán điều khiển theo
quỹ đạo (2.32) trong việc nâng cao ATB cho UAV cỡ nhỏ khi có
21
nhiễu động gió đứng hình sin (1.35a) trong chuyển động dọc được
thể hiện trên hình 4.37.
f(L)
f (Wyo )
5
20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
L( m )
Hình 4.35. Hàm mật độ xác suất
theo quy mô nhiễu động
3
6
9
12
15 Wyo ( m / s )
Hình 4.36. Hàm mật độ xác suất theo
biên độ nhiễu động
Hình 4.37. Kết quả thử nghiệm Monte Carlo
Nhận xét: Qua kết quả thử nghiệm như trên hình 4.37 cho thấy
rằng, khi có nhiễu động gió nếu sử dụng bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu
ra ny sử dụng phương pháp bù nối tiếp cho phép giảm xác suất mất
ATB cho UAV nhiều lần so với sử dụng bộ điều khiển theo quỹ đạo
cho cả hai trường hợp phân bố xác suất các tham số nhiễu động.
Kết luận chương 4
Chương 4 đã thực hiện mô phỏng, khảo sát đánh giá hiệu quả
nâng cao ATB cho UAV khi có nhiễu động gió với các bộ ĐKTN
theo tín hiệu q tải đứng và quá tải ngang đã được tổng hợp trong
chương 3. Qua kết quả khảo sát cho thấy rằng:
- Sử dụng bộ ĐKTN theo tín hiệu quá tải đứng khi có nhiễu động
gió đứng sẽ nâng cao ATB và mở rộng khả năng sử dụng UAV.
- Hiệu quả nâng cao ATB cho UAV khi có nhiễu động gió đứng
trong kênh chuyển động dọc đối với các bộ ĐKTN theo tín hiệu quá
tải đứng đã tổng hợp trong chương 3 là tương đương nhau. Tuy
nhiên, ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương pháp bù nối tiếp
22
được xây dựng đơn giản, thực hiện dễ dàng, hạn chế được các thiết
bị đo và giảm được sai số phép đo. Do đó, khi có nhiễu động gió để
đảm bảo ATB cho UAV và mở rộng khả năng sử dụng UAV, luận án
sẽ lựa chọn bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương pháp bù
nối tiếp cho cả kênh chuyển động dọc và kênh chuyển động cạnh.
Bằng phương pháp thử nghiệm Monte Carlo đã cho thấy rằng, khi có
nhiễu động gió đứng sử dụng bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng
phương pháp bù nối tiếp sẽ cho phép giảm xác suất mất ATB cho
UAV nhiều lần so với sử dụng bộ điều khiển theo độ cao.
- Khi có nhiễu động gió cạnh trong mặt phẳng ngang, ứng dụng
bộ ĐKTN theo tín hiệu đầu ra quá tải ngang nz sử dụng phương pháp
bù nối tiếp cho phép nâng cao ATB cho UAV và mở rộng khả năng
sử dụng UAV.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. Kết luận
Nội dung luận án “Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi đảm bảo
an toàn bay cho UAV cỡ nhỏ trong điều kiện có nhiễu động gió” đã
giải quyết bài tốn nâng cao độ ATB của UAV cỡ nhỏ bằng cách
thay đổi thuật tốn điều khiển trên kênh điều khiển có sẵn. Khi có
nhiễu động gió, để bảo đảm ATB tạm thời khơng duy trì quỹ đạo bay
ban đầu, cần ưu tiên duy trì góc tấn khơng tốc, góc trượt khơng tốc
và q tải trong giới hạn cho phép.
Nội dung luận án giải quyết các vấn đề như sau:
- Xây dựng mơ hình động lực học vịng điều khiển kín chuyển
động của UAV cỡ nhỏ giả định trong kênh chuyển động dọc và kênh
chuyển động cạnh khi có nhiễu động gió với bộ điều khiển bám quỹ
đạo. Trên cơ sở đó, đánh giá ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB
của UAV cỡ nhỏ khi sử dụng bộ điều khiển theo quỹ đạo.
- Tổng hợp thuật toán ĐKTN sử dụng phương pháp hiệu chỉnh
tham số theo luật MIT, thuật toán ĐKTN sử dụng phương pháp tốc
độ gradient và thuật tốn ĐKTN theo tín hiệu đầu ra sử dụng phương
23
