XÂY DỰNG hệ THỐNG điều KHIỂN TRỰC THĂNG KHÔNG NGƯỜI lái GIẢ lập BẰNG mô HÌNH kết hợp GA – FL

Luận văn, khóa luận, chuyên đề, tiểu luận, quản trị, khoa học, tự nhiên, kinh tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC

NGUYỄN THANH BÌNH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC THĂNG

KHÔNG NGƯỜI LÁI GIẢ LẬP BẰNG

MÔ HÌNH KẾT HỢP GA – FL

KHOÁ LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC

TP HCM, NĂM 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC

NGUYỄN THANH BÌNH - 0112174

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC THĂNG

KHÔNG NGƯỜI LÁI GIẢ LẬP BẰNG

MÔ HÌNH KẾT HỢP GA – FL

KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS LÊ HOÀNG THÁI

NIÊN KHÓA 2001 - 2005

Lời cảm ơn -

LỜI CẢM ƠN

-oOo -

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả Thầy Cô trong khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Khoa học Tự nhiên, những người đã tận tâm truyền dạy những kiến thức quý báu cho chúng em

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Hoàng Thái, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian qua Những lời chỉ dẫn, những tài liệu và sự khích lệ của Thầy đã giúp em rất nhiều để hoàn thiện luận văn này

Xin cảm ơn bác Nguyễn Đình Sáo – Căn cứ trưởng ga trực thăng sân bay Tân Sơn Nhất thuộc Công ty bay dịch vụ Miền Nam – đã giúp cháu rất nhiều trong việc tìm kiếm tài liệu, kiến thức về máy bay trực thăng

Xin gởi lời cảm ơn rất nhiều đến toàn thể gia đình, bạn bè

Nguyễn Thanh Bình

-

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn

TS Lê Hoàng Thái

-

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện

ThS Đinh Nguyễn Anh Dũng

Mục lục

-

MỤC LỤC -oOo -

Lời cảm ơn Đề cương chi tiết Mục lục Danh sách hình, bảng, từ viết tắt Tóm tắt luận văn Mở đầu Chương 1 Mô hình kết hợp Thuật giải di truyền – Logic mờ 1

1.1.Giới thiệu……….……….…2

1.2 Kết hợp Thuật giải di truyền và Logic mờ trong thực tế……….…2

Kết hợp GA và FL trong việc điều khiển trực thăng không người lái 3

Sơ đồ giải quyết bài toán……….……… 4

1.3 Kết luận chương 1 4

Chương 2 Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái……… 5

2.1 Giới thiệu……… ……… 6

2.2 Các vấn đề trong việc điều khiển trực thăng ……… 8

2.3 Biến trạng thái (state variables)……… 11

2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển ……….14

2.4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển máy bay trực thăng ……….14

2.4.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển logic mờ … ……….………14

2.5 Kết luận chương 2 15

Chương 3 Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ ……… ………16

3.1 Giới thiệu………17

3.2 Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ ……… 17

3.2.1 Bộ điều khiển mờ cổ điển và bộ điều khiển mờ phân tán ………17

3.2.2 Ứng dụng bộ điều khiển phân tán để thiết kế bộ điều khiển logic mờ 18

3.2.3 Biến đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển logic mờ ………22

Mục lục

-

3.2.4 Bộ luật tổng quát …… ………24

3.3 Thiết kế bộ luật tổng quát … ……… 25

3.4 Kết luận chương 3 26

Chương 4 Phương pháp mở rộng bộ luật điều khiển bằng Thuật giải di truyền……… 27

4.1 Giới thiệu ……….……… 28

4.2 Sự mã hoá biến và xây dựng hàm thích nghi… ……….……… 29

4.2.1 Mã hoá biến……… 29

4.2.2 Xây dựng hàm thích nghi……….29

4.3 Kết luận chương 4 30

Chương 5 Giải quyết bài toán.……… ……… ……….31

5.1 Giới thiệu……… ………32

5.2 Xây dựng bộ luật cơ bản …… ………32

5.2.1 Sơ đồ thuật toán ………32

5.2.2 Mô tả sơ đồ.….…… ……….….…… ………… 32

5.2.3 Xây dựng bộ luật cơ bản……….….………32

5.3 Mở rộng bộ luật cơ bản……….….………34

5.3.1 Sơ đồ thuật toán……….….……….….……….….……….34

5.3.2 Xây dựng bộ luật cơ bản……….….……….….……….….……34

5.4 Quá trình ra quyết định của bộ điều khiển ……….….……….….………36

5.5 Kết quả thử nghiệm.….……….….……… 40

5.5.1 Xây dựng bộ luật cơ bản… ….………40

5.5.2 Mở rộng bộ luật cơ bản ……… 40

5.5.3 Điều khiển trực thăng ……… 41

5.6 Kết luận chương 5 45

Kết luận và hướng phát triển……… ……….46

Kết luận……….…… ……… ………46

Hướng phát triển……….… ………46

Mục lục

-

Phụ lục A Thuật giải di truyền ……….48

Phụ lục B Logic mờ 58

Phụ lục C Các màn hình giao diện……….62

Phụ lục D Thiết kế luật cho từng khối 68

Phụ lục E Bộ luật tổng quát (414 luật) trong điều khiển trực thăng….… ……… 81

Phụ lục F Một số đoạn code chính trong chương trình……….………….89

Danh sách hình, bảng, từ viết tắt

-

• DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ giải quyết bài toán 4

Hình 2.1 Lực không khí sản sinh quanh máy bay trực thăng 9

Hình 2.2.a Cấu trúc điều khiển của máy bay trực thăng 9

Hình 2.2.b Ba bộ phận điều khiển chính trong khoang lái của trực thăng 10

Hình 2.3 Góc nghiêng (pitch) 13

Hình 2.4 Góc lệch (yaw) 13

Hình 2.5 Góc lộn vòng (roll) 14

Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ cổ điển và bộ điều khiển phân tán 17

Hình 3.2 Vùng điều khiển cần gạt theo chiều ngang của bộ điều khiển mờ 19

Hình 3.3 Vùng điều khiển cần gạt theo chiều dọc của bộ điều khiển mờ 19

Hình 3.4 Vùng điều khiển bàn đạp của bộ điều khiển mờ 19

Hình 3.5 Vùng điều khiển cần nâng của bộ điều khiển mờ 19

Hình 5.1 Các bước tạo bộ luật cơ bản 32

Hình 5.2 Dùng GA tạo bộ luật mở rộng 34

• DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Mô tả đầu vào của mỗi khối điều khiển mờ 23

Bảng 3.2 Mô tả đầu ra và tổng số luật của mỗi khối điều khiển mờ 24

• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT GA : Genetic Algorithms ( Thuật giải di truyền ) FL : Fuzzy Logic ( Logic mờ ) N : Negative St : Stable

P : Postive

Sm : Small

M : Medium

NB : Negative Big

NM : Negative Medium

NS : Neagative Small

Z : Zero

PS : Positive Small

PM : Positive Medium

PB : Positive Big

Tóm tắt luận văn

-

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thông tin chung về đề tài:

Tên đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển trực thăng không người lái giả lập bằng mô

hình kết hợp GA – FL

GVHD: TS Lê Hoàng Thái Sinh viên thực hiện:

MSSV: 0112174 Họ và tên: Nguyễn Thanh Bình

Tóm tắt nội dung luận văn:

- Tìm hiểu lý thuyết về Thuật giải di truyền và Logic mờ

- Nghiên cứu các vấn đề trong điều khiển máy bay trực thăng

- Thiết kế cấu trúc bộ điều khiển logic mờ cho máy bay trực thăng

- Ứng dụng Logic mờ để xây dựng bộ luật điều khiển cho máy bay trực thăng

- Mở rộng bộ luật điều khiển bằng Thuật giải di truyền

- Xây dựng chương trình giả lập trực thăng bay không người lái trên môi trường Visual C++ 6.0

Một số từ khóa chính liên quan đến nội dung đề tài:

Fuzzy Logic, Genetic Algorithms, Helicopter, Flight Control

hợp hai kỹ thuật này rất được ưa chuộng trong điều khiển tự động, đóng góp cho

nhân loại những ứng dụng hữu ích, có thể thay thế cho con người thực hiện các công việc khó khăn, nguy hiểm

Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi tìm hiểu, nghiên cứu về Thuật giải

di truyền, Logic mờ và ứng dụng sự kết hợp của hai kỹ thuật này cho bài toán : Xây

dựng hệ thống điều khiển trực thăng không người lái giả lập bằng mô hình kết hợp

GA - FL

Xét về bố cục, luận văn được tổ chức như sau :

- Chương 1: Trình bày sự kết hợp của hai kỹ thuật này trong thực tế và trong bài

toán điều khiển trực thăng không người lái

- Chương 2: Giới thiệu hệ thống điều khiển và các vấn đề liên quan đến điều khiển

trực thăng

- Chương 3: Giới thiệu cấu trúc bộ điều khiển logic mờ và thiết kế bộ luật điều

khiển tổng quát cho máy bay trực thăng

- Chương 4: Trình bày phương pháp mở rộng bộ luật cơ bản thành bộ luật mở rộng

- Chương 5: Ứng dụng hai kỹ thuật vào giải quyết bài toán

Tính khoa học của mô hình kết hợp GA-FL được chỉ ra thông qua các thuật toán đề xuất trong luận văn (tạo bộ luật cơ bản bằng FL, mở rộng bộ luật cơ bản bằng GA…)

Tính khả thi của mô hình đề xuất trong luận văn thể hiện qua ứng dụng: chương trình giả lập điều khiển trực thăng không người lái

Chương 1

-

CHƯƠNG 1

MÔ HÌNH KẾT HỢP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN - LOGIC MỜ

1.1 Giới thiệu 1.2 Kết hợp Thuật giải di truyền và Logic mờ trong thực tế 1.3 Kết luận

Chương 1 : Mô hình kết hợp Thuật giải di truyền – Logic mờ

Chương 1 sẽ giới thiệu về sự kết hợp của hai kỹ thuật này trong thực tế, mục đích của luận văn và sơ đồ giải quyết bài toán

1.2 Kết hợp Thuật giải di truyền và Logic mờ trong thực tế :[2]

luật thích nghi cho vấn đề rất là nan giải Logic mờ đã được bổ túc với những phương pháp truy tìm và chọn lựa giải pháp tối ưu của GA

Chuck Karr, thuộc cơ quan khai mỏ của Hoa Kỳ (U.S Bureau of Mines), là một trong những người tiên phong khai thác ưu điểm của hai kỹ thuật GA và Logic mờ Khởi đầu bằng luận án tiến sĩ về đề tài sử dụng GA và Logic mờ để điều khiển các dụng cụ điện tử trong lĩnh vực khai thác quặng

mỏ, sau đó Chuck Karr đã dùng những hiểu biết này để điều khiển phi thuyền đáp tại các trạm trên không gian Cách xa nhau hàng triệu dặm, trung tâm điều khiển tại địa cầu không thể nào theo dõi và điều khiển các phi thuyền, do

đó các phi thuyền phải dựa vào Logic mờ và Thuật giải di truyền để nhận định tình hình và tìm ra giải pháp tối ưu để tồn tại trong không gian đầy những chuyển biến bất thường

tin học kết hợp Logic mờ và GA cho các công việc đầu tư hay tiếp thị

Và trong luận văn này, chúng tôi đã dùng sự kết hợp này cho việc xây dựng hệ thống điều khiển máy bay không người lái (giả lập)

Chương 1 : Mô hình kết hợp Thuật giải di truyền – Logic mờ

-

* Kết hợp GA và FL trong việc điều khiển trực thăng không người lái:

Để điều khiển máy bay một cách tự động, thì ta cần có bộ điều khiển

logic mờ (fuzzy logic controller) Bộ điều khiển thường rất phức tạp do việc

lái máy bay một cách tự động là rất khó Trên thực tế, các nhiệm vụ điều khiển được chia ra thành những bộ phận điều khiển riêng lẻ, mỗi bộ phận có những luật riêng và gắn liền với những hàm thành viên.Vì bộ điều khiển logic

mờ rất rộng, và cả những luật thi hành trong những bộ phận điều khiển riêng

lẻ cũng không cần đến người phi công, nên rất cần có một kỹ thuật hiệu quả trong việc viết ra những luật hữu dụng GA được dùng để khám phá những luật và cung cấp chúng cho bộ điều khiển của máy bay trực thăng Như vậy,

GA đã chứng minh khả năng tìm kiếm hiệu quả trong việc xác định luật cho

bộ điều khiển logic mờ

Luận văn này mô tả cấu trúc bộ điều khiển logic mờ của máy bay trực thăng, cung cấp chi tiết việc xây dựng bộ luật điều khiển, áp dụng GA để tìm kiếm luật, và kết quả là chương trình giả lập điều khiển máy bay không người lái (thử nghiệm)

Chương 1 : Mô hình kết hợp Thuật giải di truyền – Logic mờ

FL

Dữ liệu nhập

Điều khiển hoạt động trực thăng

2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 2.5 Kết luận

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

2.1 Giới thiệu: [1]

đặt người phi công và máy bay vào tình trạng nguy hiểm như việc kiểm tra khả năng bay lượn của một loại máy bay mới sáng chế, kiểm tra tốc độ tối đa khi máy bay lao đi với vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh,… Trong những trường hợp như vậy, chúng ta nên có một hệ thống điều khiển tự động lái thay cho người phi công

thăng Tuy nhiên, những thuật giải này chỉ có thể dùng cho mỗi loại máy bay riêng biệt; chúng hoàn toàn phải thiết kế lại cho mỗi loại trực thăng mà chúng được sử dụng Việc cài đặt một thuật giải điều khiển bay có thể dễ dàng thích ứng với nhiều loại trực thăng sẽ tiết kiệm cho ngành công nghiệp máy bay trực thăng, các nhà sản xuất vũ khí, và quân đội một khoản tiền lớn Đồng thời đánh dấu một bước ngoặc trong lĩnh vực điều khiển bay tự động của máy bay trực thăng

Hệ thống điều khiển mờ (fuzzy control system), hay bộ điều khiển logic

mờ (fuzzy logic controller) ngày càng trở nên phổ biến vào những năm cuối

thế kỷ 20 Những hệ thống này đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như: hoá học, khai khoáng mỏ, và công nghệ vũ trụ, … Gần đây, nhiều thuật toán đã ra đời và phát triển trợ giúp việc tự động thích ứng của bộ điều khiển logic mờ với những biến đổi khác nhau Procyk và Mamdani là những người tiên phong trong việc xây dựng bộ điều khiển logic mờ có khả năng tự thích nghi Tiếp sau, Karr và cộng sự của ông đã thành công trong việc sử dụng Thuật giải di truyền để xây dựng những bộ điều khiển logic mờ

tự thích nghi trong những điều kiện thực tế

Bộ điều khiển logic mờ là giải pháp mở, nó có thể ứng dụng rộng rãi trên nhiều loại máy bay khác nhau Dữ liệu cho việc thiết kế bộ điều khiển

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

- logic mờ được lấy từ việc phỏng vấn những phi công có kinh nghiệm Những thông tin và kiến thức thu được từ người phi công được chuyển đổi về định

dạng luật quyết định áp dụng trong hệ điều khiển mờ Tương lai bộ điều khiển

logic mờ dần dần sẽ thay thế người phi công trong những nhiệm vụ bay nguy hiểm, và có khả năng áp dụng cho nhiều loại máy bay khác nhau

Việc điều khiển máy bay được chia nhỏ thành các nhiệm vụ cho từng

bộ điều khiển riêng biệt Những bộ điều khiển logic mờ riêng biệt này được hình thành với 4 tiêu chí liên quan đến lái máy bay : (1) bay hướng ngang, (2) bay hướng thẳng đứng, (3) bay hướng xuống, (4) bay hướng lên Việc chia nhỏ các chức năng giúp ta giảm bớt kích cỡ của tập luật Tuy nhiên, việc chia nhỏ này không làm giảm kích cỡ bộ luật tới mức những luật đều thực sự rõ ràng Vì thế rất cần kỹ thuật để xác định những luật thích hợp

định hiệu quả cho bộ điều khiển logic mờ GA là thuật giải tìm kiếm dựa trên

cơ chế tiến hoá tự nhiên Chúng tìm kiếm lời giải trong không gian lớn mà không cần đến thông tin phát sinh Tính tiện dụng đó làm chúng rất có hiệu quả trong việc tìm kiếm luật cho bộ điều khiển trực thăng Đồng thời, hàm thích nghi đã hướng dẫn GA tìm kiếm đúng hướng, làm tối ưu cả thời gian lẫn năng lượng cùng một lúc Khả năng này không phải lúc nào cũng có trong đa

số các thuật giải điều khiển tối ưu

Luật văn đề cập việc xây dựng bộ điều khiển logic mờ cho trực thăng UH-1H Mặc dù hệ thống điều khiển chưa thích ứng với những máy bay khác, nhưng cấu trúc thì đủ linh hoạt và có khả năng thích ứng với nhiều loại trực thăng khác Sau đây sẽ nói về các vấn đề thường gặp trong việc điều khiển trực thăng (mục 2.2), những biến trạng thái của máy bay trực thăng (mục 2.3),

và cuối cùng là sơ đồ hệ thống điều khiển (mục 2.4)

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

2.2 Các vấn đề trong việc điều khiển trực thăng: [1]

Bộ điều khiển máy bay được sử dụng trong những tình huống nguy hiểm, cả quân sự lẫn thương mại, là niềm khát khao để giúp cho người phi công tránh được những rủi ro Đã nhiều năm, chiếc máy bay có cánh cố định

“Drones” (máy bay không người lái) đã thi hành vai trò này, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự Tuy nhiên, trong trường hợp cần có một loại máy bay thực hiện thao diễn trong một phạm vi hẹp, hay duy trì bay tại một vị trí chỉ định trong một khoảng thời gian dài thì một trực thăng không người lái là phù hợp hơn cả Tuy nhiên điều khiển trực thăng thì khó hơn nhiều so với điều khiển máy bay (có cánh cố định)

loại bỏ sự mất ổn định và các ngẫu lực vốn có của trực thăng Nếu người phi công buông thả việc điều khiển máy bay có cánh cố định, thì máy bay sẽ dần dần đạt đến trạng thái bay ổn định sau đó Nhưng điều này thì không đúng với máy bay trực thăng Nếu không có những điều khiển chính xác, trực thăng sẽ

đi ra khỏi trạng thái ổn định Động lực bay của trực thăng là những cặp ngẫu lực và nó khác nhau từ máy bay này sang máy bay khác cũng như từ vùng bay này sang vùng bay khác Ngẫu lực một phần là do mômen hồi chuyển lớn được tạo ra bởi cánh quạt chính Bất cứ một chuyển động bay xuống về phía trước nào (bay “chúi mũi”) đều khiến trực thăng quay tròn sang bên phải Sự điều khiển như vậy gây ra những hiệu ứng khí động lực học, sản sinh ra ngẫu lực

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

Hình 2.1 Lực không khí sản sinh quanh máy bay trực thăng

Trong cấu hình trực thăng đơn giản như Hình 2.1, thân trực thăng được nâng lên nhờ cánh quạt chính (main rotor) cung cấp lực nâng Cánh quạt đuôi được thiết kế để chống lại lực xoắn do sự phản hồi của không khí với cánh quạt chính

Hình 2.2 a) Cấu trúc điều khiển của máy bay trực thăng [10]

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

Hình 2.2.b) Ba bộ phận điều khiển chính trong khoang lái của trực thăng [10]

Trong khoang lái (cockpit), phi công sử dụng 3 bộ phận điều khiển để lái trực thăng (Hình 2.2 b) : (1) cần nâng (collective) được sử dụng để điều chỉnh độ nghiêng (pitch) của cánh quạt chính để tăng hay giảm lực nâng, (2) bàn đạp (pedals) được sử dụng để điều chỉnh độ nghiêng (pitch) của cánh quạt đuôi, làm lực xoắn sản sinh ra nhiều hoặc ít hơn , và (3) cần gạt (cyclic) dùng

để xác định hướng của cánh quạt chính Cánh quạt chính được xem như một đĩa ảo sản sinh ra lực nâng Khi cần gạt được đẩy về phía trước, chiếc đĩa nghiêng về phía trước cùng với thân máy bay, gây ra gia tốc hướng trước Khi cần gạt được đẩy sang phải, chiếc đĩa nghiêng về bên phải, gây ra gia tốc hướng phải Mỗi điều khiển kích động máy móc theo nhiều trục Và sự kết hợp giữa những điều khiển cực kỳ khó, do đó việc lái trực thăng là không dễ chút nào

Để biết rõ hơn về sự kết hợp giữa những điều khiển, ta xem xét một thao diễn : phi công sẽ bay từ trạng thái lơ lửng hiện tại đến vị trí có độ cao được xác định trước Để bay lên, người phi công phải tăng lực nâng từ phía

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

- cánh quạt chính, do đó phi công kéo cần nâng (collective) hướng lên trên Điều này làm tăng độ nghiêng (pitch) của cánh quạt chính, sản sinh ra lực lớn hơn lực cản không khí Nhưng lực xoắn theo chiều đối lập từ phía cánh quạt đuôi đã ngăn cản sự bay lên này, vì thế bàn đạp (pedals) phải được điều chỉnh

để thay đổi độ nghiêng của cánh quạt đuôi, cung cấp lực xoắn đối lập chính xác cho vị trí cần nâng mới Không may là lực xoắn đó không có tác dụng với trục thẳng đứng của trực thăng Trong đa số các trường hợp, cánh quạt đuôi chỉ ảnh hưởng lực xoắn lên trục nằm ngang và gây ra sự lộn vòng (roll) Sự lộn vòng này sẽ làm thay đổi hướng bay của trực thăng Mỗi điều khiển gây ra nhiều ảnh hưởng lên chuyển động bay của trực thăng Do đó cần phải kết hợp

tỉ mỉ các điều khiển trực thăng ngay cả trong những thao diễn đơn giản nhất

2.3 Biến trạng thái (state variables): [1]

Các vận tốc, gia tốc của trực thăng được gọi chung là những biến trạng thái Những biến này được định nghĩa trong hệ toạ độ có tâm nằm ở thân máy

bay, trục x hướng tới mũi, trục y hướng sang phải và trục z hướng xuống dưới

Theo quy ước này, ta có 17 biến trạng thái gồm :

sec)/(dt

dx

sec)/(dt

dy

sec)/(dt

dz

)sec/(dt

du

)sec/(dtdv

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

)sec/(dt

dw

p (deg/sec) Vận tốc góc (angular velocity) quanh trục x

q (deg/sec) Vận tốc góc quanh trục y

r (deg/sec) Vận tốc góc quanh trục z

Ru (m/sec) Vận tốc trước mong đợi (Reference forward velocity)

Rv (m/sec) Vận tốc phải mong đợi (Reference rightward velocity)

độ cao Các góc yaw (góc lệch), pitch (góc nghiêng), roll (góc lộn vòng) được gọi là những góc Euler :

(deg) Góc lệch (yaw) (còn được viết là psi)

ψ

θ (deg) Góc nghiêng (pitch) (còn được viết là theta)

φ (deg) Góc lộn vòng (roll) (còn được viết là phi)

h (m) Độ cao (altitude)

* Chú ý là khoảng cách được đo bằng mét (m), góc đo bằng độ (deg), và thời gian đo bằng giây (sec)

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

* Các góc Euler được xác định như sau :

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển: [1]

2.4.1 Sơ đồ tổng quát cấu trúc của hệ thống điều khiển máy bay trực thăng

Bộ điều khiển logic mờ

2.4.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển logic mờ :

Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ được chia thành 4 vùng điều khiển riêng biệt (chi tiết sẽ được trình bày trong Chương 3) dưới đây :

u_dot

q

Vùng điều khiển cần gạt theo chiều dọc

IAS

Eu

θ

q_dot

lon

δ

Chương 2 : Tổng quan về hệ thống điều khiển trực thăng không người lái

-

v_dot

Vùng điều khiển cần gạt theo chiều ngang

IAS

ψ

E

q q_dot

u

tr

δ

r r_dot

v_dot Vùng điều khiển

bộ điều khiển và việc sử dụng logic mờ để xây dựng bộ luật điều khiển bay sẽ được trình bày trong Chương 3

3.4 Kết luận

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

3.1 Giới thiệu :

Bộ điều khiển phải được thiết kế sao cho có thể điều khiển trực thăng

từ trạng thái bay ổn định này sang trạng thái bay ổn định khác một cách êm ái

và nhanh chóng Nó phải điều khiển được các thao tác đơn giản như tăng tốc, giảm tốc, quay một cách tương đối chính xác Do đó phải có những luật điều khiển tương đối chính xác giúp cho bộ điều khiển logic mờ dựa vào đó để ra quyết định Chương 3 sẽ nói về cấu trúc bộ điều khiển logic mờ (mục 3.2), sau đó là việc thiết kế bộ luật điều khiển tổng quát (mục 3.3)

3.2 Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller Architecture):

3.2.1 Bộ điều khiển mờ cổ điển và bộ điều khiển mờ phân tán : [1]

Bộ điều khiển mờ cổ điển thường chứa một khối mờ Khối mờ này có

một đầu vào là biến trạng thái (x ) và một đầu ra là điều khiển hoạt động (y i j )

như hình 31.a Mỗi đầu vào liên kết với các đầu vào khác thông qua những luật trong bộ luật cơ sở Tuy nhiên, đối với những bài toán lớn, dùng phương pháp cổ điển này để xây dựng hệ thống mờ là không thực tế bởi vì số lượng luật sẽ tăng theo luỹ thừa số lượng đầu vào Ví dụ, có 17 biến sử dụng trong

bộ điều khiển trực thăng, mỗi biến có 3 hàm thành viên, như vậy kích cỡ bộ luật sẽ là 317, xấp xỉ 129 × 106 luật

Hình 3.1. Bộ điều khiển mờ cổ điển (a) có thể được thay bằng bộ điều khiển phân tán (b)

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

Một cấu trúc phân tán, như hình 3.1b, là một thay thế cho bộ điều khiển

mờ khối đơn cổ điển trên Chúng ta sẽ dùng những kiến thức về động lực học máy bay để phân chia nhiệm vụ điều khiển cho từng khối riêng lẻ, như vậy số lượng luật sẽ giảm đi rất nhiều so với bộ điều khiển mờ cổ điển Ví dụ, với mỗi đầu vào có 3 hàm thành viên, bộ điều khiển cổ điển trong hình 3a cần

34=81 luật, còn với bộ điều khiển phân tán trong hình 3b chỉ cần 32 + 32 +

32= 27 luật

Việc xác định một cấu trúc phù hợp thường rất khó Khi muốn phát sinh ra một bộ điều khiển với số lượng luật nhỏ, điều cần thiết là phải biết được mối liên hệ giữa những biến trạng thái Một bộ điều khiển là hiệu quả khi nó gồm có một số lượng luật nhỏ, và mối liên hệ rõ ràng của những biến trạng thái

3.2.2 Ứng dụng bộ điều khiển phân tán để thiết kế bộ điều khiển logic

mờ cho máy bay trực thăng : [1]

Việc thiết kế cấu trúc điều khiển trực thăng là quá trình “thử và sai” để đạt được yêu cầu của các nhà chuyên môn Sau nhiều lần thiết kế lặp đi lặp lại, cấu hình từ hình 3.2 đến hình 3.5 đã được chấp nhận Bộ điều khiển gồm

4 vùng, mỗi vùng điều khiển các chức năng riêng biệt : + Vùng điều khiển cần gạt theo chiều dọc (δ lon), hình 3.2 : điều khiển trực thăng bay lên, bay xuống và bay tới

+ Vùng điều khiển cần gạt theo chiều ngang (δ lat), hình 3.3 : điều khiển trực thăng bay rẽ trái, rẽ phải

quay

+ Vùng điều khiển cần nâng (δ col), hình 3.5 : điều khiển cánh quạt chính tạo lực nâng

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

Trong đó :

R x : giá trị mong ước của biến x (Reference value of x)

E : sai số giữa giá trị mong ước và giá trị hiện tại của biến x (Error in x) : E = R – x x x x IAS : tốc độ báo hiệu ( Indicated Airspeed)

x_dot : + gia tốc ( nếu x là các vận tốc : u, v, q, p, r) + giá trị biến thiên (nếu x là : h, ψ )

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

Điều khiển cần gạt chuyển động theo chiều dọc được xác định bởi khối

mờ có nhãn là Longitudinal Attitude (hình 3.2) Khi biết giá trị của Eθ (sai

số của góc nghiêng), q, q_dot, khối Longitudinal Attitude sẽ suy luận sự thay đổi của cần gạt theo chiều dọc Khối chuyển đổi Longitudinal Switch sẽ chọn lựa một trong hai kết quả đầu ra của 2 khối Longitudinal Acceleration, Longitudinal Hold dựa vào Eu (sai số của vận tốc hướng trước) Nếu |Eu| lớn

sẽ do khối Longitudinal Hold xác định Cần chú ý là khối Longitudinal

Longitudinal Hold cho ra kết quả là sai số của góc nghiêng (Eθ) Sự sắp đặt này tuy hơi phức tạp, nhưng ta có thể tưởng tượng đến mô hình người phi công điều khiển trực thăng như sau : khi phi công đang điều khiển trực thăng bay với vận tốc gần vận tốc trước mong đợi (|Eu| nhỏ), anh ta sẽ đạt đến vận tốc mong đợi đó bằng cách chỉ cần điều chỉnh cần gạt một chút thay đổi độ nghiêng của máy bay Còn khi vận tốc của trực thăng cách xa với vận tốc mong đợi (|Eu| lớn), người phi công sẽ phải điều khiển trực thăng đạt tới góc

máy bay Trong cả 2 khối Longitudinal Acceleration và Longitudinal Hold, đầu vào đều là tốc độ hiện thời (IAS), sai số của vận tốc trước (Eu), và gia tốc hướng trước (u_dot)

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

Điều khiển cần gạt theo chiều ngang được chia làm 2 nhánh điều khiển (hình 3.3), mỗi nhánh có cấu trúc giống với vùng điều khiển cần gạt theo chiều dọc Hai nhánh này tượng trưng cho 2 chức năng khác nhau : khi trực

thăng bay lượn (hover) hay bay thẳng (forward flight) Khi bay lượn, cần gạt

sẽ xác định vận tốc hướng sang bên của trực thăng Khi bay thẳng, vận tốc hướng sang bên mong ước luôn bằng zero Trong trường hợp này, cần gạt sẽ điều khiển trực thăng quay lộn vòng để đạt được hướng bay khác Trong hình 3.3, nhánh ở trên dùng vận tốc hướng sang bên (Ev) để điều khiển trực thăng

hướng bay khi trực thăng bay thẳng

Điều khiển cánh quạt đuôi do bàn đạp đảm nhận (hình 3.4) Khi bay lượn, khối Hover Heading điều khiển cánh quạt đuôi, còn khi bay thẳng, khối Lateral Trim điều khiển cánh quạt đuôi Trong tình trạng nửa lượn nửa bay thẳng, hoạt động của 2 khối điều khiển này được kết hợp một cách tuyến tính Mục đích của khối Lateral Trim là điều chỉnh cánh quạt đuôi để trực thăng tránh trượt qua một bên khi đang bay thẳng

Cuối cùng là việc điều khiển cần nâng (hình 3.5) Vùng điều khiển này

là vùng đơn giản nhất và có ảnh hưởng lên toàn bộ các vùng khác

Những bộ chuyển đổi mờ (fuzzy switches) được sử dụng trong bộ điều khiển để quy định quyền điều khiển đặc trưng cho từng vùng bay khác nhau

Ví dụ, với bộ chuyển đổi Forward Flight/ Hover Taxi trong bộ điều khiển cần gạt theo chiều ngang (hình 3.3), nếu vận tốc hướng trước (u) của trực thăng nhỏ hơn 6 m/s thì kết quả của nhánh ở trên sẽ được truyền qua bộ chuyển đổi, nếu u lớn hơn 12 m/s thì kết quả của nhánh ở dưới sẽ được truyền qua bộ chuyển đổi, khi u lớn hơn 6 m/s và nhỏ hơn 12 m/s, tổ hợp tuyến tính giữa hai kết quả của 2 nhánh sẽ là đầu ra của bộ chuyển đổi Như vậy, bộ chuyển đổi

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

mờ là cố định, những luật trong bộ chuyển đổi được xác định từ trước, không phải được tìm ra bởi thuật giải tìm kiếm

3.2.3 Biến đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển logic mờ : [1]

Chỉ xét những khối mờ trong bộ điều khiển trực thăng, không tính những bộ chuyển đổi mờ, ta có tất cả là 12 khối Mỗi khối có nhiều đầu vào, mỗi đầu vào có nhiều hàm thành viên Những đầu vào này có giá trị được quy định nằm trong miền [Min, Max] Bảng 3.1 sẽ liệt kê chi tiết về những biến đầu vào Những bộ chuyển đổi mờ không được liệt kê, mỗi bộ có 3 đầu vào Đầu vào đầu tiên là giá trị tiêu chuẩn của bộ chuyển đổi, hai đầu vào còn lại là những giá trị mà một trong chúng sẽ là đầu ra của bộ chuyển đổi

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

Longitudinal Hold

Longitudinal Attitude

Lateral Acceleration

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

Longitudinal Attitude Lateral Acceleration Lateral Hold

Lateral Attitude Bank Hold Heading Hold Bank Attitude Hover Heading Lateral Trim Climb Rate

Độ tin cậy của một luật (strength of rule) là giá trị tối thiểu của các tiền

đề đúng trong luật đó Luật có độ tin cậy cao nhất sẽ được chọn làm kết quả của hệ đầu ra

Bộ luật điều khiển được chia ra cho mỗi khối Mỗi khối có những luật

riêng và điều khiển những vị trí khác nhau Có tất cả là 414 luật

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

-

3.3 Thiết kế bộ luật tổng quát : [6]

Bộ luật tổng quát bao gồm tổng số luật của 12 khối mờ Sau đây là ví

dụ việc thiết kế luật cho khối Bank Hold, các khối còn lại được liệt kê trong phần Phụ lục B

Khối Bank Hold :

Gồm 2 đầu vào (IAS, Epsi) và 1 đầu ra (Rphi)

IAS có tập mờ là {Small, Big}

E_psi có tập mờ là {Negative, Stable, Positive}

R_phi có tập mờ là {Negative, Stable, Positive}

Các biến được biểu diễn với các hàm thành viên như sau :

- Đầu vào :

Biến IAS với 2 hàm thành viên :

“Small”, “Big”

Biến E_psi với 3 hàm thành viên :

“Negative”, “Stable”, “Positive”

Biến R_phi với 3 hàm thành viên:

“Negative”, “Stable”, “Positive”

- Đầu ra :

Chương 3 : Điều khiển bay tự động bằng bộ luật logic mờ

- Khối này có tổng cộng 2 × 3 = 6 luật

if(IAS = Small & E_psi = Negative) then R_phi = Negative if(IAS = Small & E_psi = Stable) then R_phi = Negative if(IAS = Small & E_psi = Positive) then R_phi = Zero if(IAS = Big & E_psi = Negative) then R_phi = Zero if(IAS = Big & E_psi = Stable) then R_phi = Positive if(IAS = Big & E_psi = Positive) then R_phi = Positive

3.4 Kết luận chương 3 : Chương 3 giới thiệu về cấu trúc hai bộ điều khiển mờ: cổ điển và phân tán Tiến tới, ứng dụng bộ điều khiển mờ phân tán cho việc thiết kế bộ điều khiển logic mờ trong điều khiển trực thăng không người lái, xây dựng bộ luật điều khiển tổng quát dựa trên kinh nghiệm các chuyên gia Phương pháp xác định những luật cần thiết cho điều khiển bay tự động bằng GA sẽ được trình bày trong Chương 4

Chương 4

-

CHƯƠNG 4

PHƯƠNG PHÁP MỞ RỘNG BỘ LUẬT ĐIỀU KHIỂN

BẰNG THUẬT GIẢI DI TRUYỀN

4.1 Giới thiệu 4.2 Sự mã hoá biến và xây dựng hàm thích nghi 4.3 Kết luận

Chương 4 : Phương pháp mở rộng bộ luật điều khiển bằng Thuật giải di truyền

-

4.1 Giới thiệu :

cũng đúng và được sử dụng Có những luật được sử dụng thường xuyên (gọi

là bộ luật cơ bản) và có những luật không bao giờ được sử dụng (gọi là bộ

luật bổ sung)

Bộ luật cơ bản được xác định bằng cách cho trực thăng bay thử nghiệm nhiều lần Sau mỗi cuộc thử nghiệm, chúng ta giữ lại các sai số Eu (sai số trong vận tốc hướng trước), Ev (sai số trong vận tốc hướng bên phải),

Eψ (sai số về góc lệch) làm dữ liệu cho việc xác định luật Qua nhiều lần thử nghiệm với những điều kiện và mục đích khác nhau, ta thu được nhiều bộ giá trị Eu, Ev, Epsi, từ đó việc xác định luật cho bộ luật cơ bản càng dễ dàng và

có thể điều khiển trực thăng bay trong nhiều tình huống

Các luật không được sử dụng một phần là do tính không hợp lý của nó

và một phần là do thiếu sót trong các lần bay thử nghiệm Nói cách khác, trong các lần bay thử nghiệm, không thể tính toán được hết các trường hợp xảy ra (sự thay đổi trong vận tốc, gia tốc, độ cao, góc lệch, góc nghiêng, …),

và các luật trong bộ luật cơ bản không thể điều khiển trực thăng trong các trường hợp này Do đó cần sử dụng một số luật trong bộ luật bổ sung để điều khiển trực thăng

Thuật giải di truyền được sử dụng để tìm ra những luật bổ sung cho bộ luật cơ bản Việc mở rộng bộ luật cơ bản là rất cần thiết, giúp ta có thể điều khiển trực thăng trong những tình huống xảy ra bất ngờ

Chương 4 sẽ giới thiệu về cách dùng Thuật giải di truyền để tìm kiếm luật cho việc mở rộng bộ luật điều khiển cơ bản : cách mã hoá biến và xây dựng hàm thích nghi (mục 4.2)

Chương 4 : Phương pháp mở rộng bộ luật điều khiển bằng Thuật giải di truyền

-

4.2 Sự mã hoá biến và xây dựng hàm thích nghi : [1]

Để sử dụng Thuật giải di truyền như là một kỹ thuật tìm kiếm, hai vấn

đề chính mà chúng ta cần quan tâm là : (1) mã hoá biến, và (2) xây dựng hàm thích nghi

4.2.1 Mã hoá biến :

Những biến sử dụng trong bài toán này là những luật mờ Những luật này được mã hoá thành một chuỗi bit Mỗi luật được ánh xạ với 4 bit

bit, do đó chuỗi bit mã hoá có chiều dài là : 4 × 414 = 1656 bit, tương đương với không gian tìm kiếm là 21656 = 3.2 × 10 trường hợp 498

VD:

1101|1001|0000|……….|1010|1000 L1 L2 L3 L1655 L1656 (L : luật)

bit, với 4 bit biểu diễn cho một luật Việc xác định chuỗi bit này dựa trên các

4.2.2 Xây dựng hàm thích nghi :

Hàm thích nghi sẽ hướng dẫn Thuật giải di truyền tìm kiếm luật một cách nhanh chóng và chính xác Các luật mới này không phải là những luật ngẫu nhiên, chúng phải có tính chất tương tự như những luật đã biết

dụng các sai số này là để Thuật giải di truyền tìm ra các luật điều khiển tương

tự như những luật đã được sử dụng, không tìm tràn lan các luật không cần thiết khác trong bộ luật