Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật tổng hợp bộ điều khiển thích nghi đảm bảo an toàn bay cho UAV cỡ nhỏ trong điều kiện có nhiễu động gió

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 cạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐẶNG CÔNG 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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

Công trình được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN 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 Xuân Khoa

Học viện Phòng không – Không 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 không khí

so với mặt đất Chuyển động của không khí là do sự chênh lệch áp

suất khí quyển gây ra Nhiễu động gió (atmospheric turbulence,

турбулентность атмосферы) được hiểu là những dòng không khí chuyển động hỗn loạn trong khí quyển Nhiễu động gió có tham số thay đổi theo không 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 không tốc r, góc trượt không tốc r và quá tải Giới hạn ATB của UAV cỡ nhỏ trong luận án được quy định như sau:

15  r, r 15

    , 1 n y 3.5, 1 n z 1 Khi góc tấn không tốc, góc trượt không tốc vượt quá 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 không duy trì quỹ đạo bay đã định, cần ưu tiên duy trì góc tấn

không tốc, góc trượt không tốc và quá 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 toán điều khiển thích nghi (ĐKTN) để duy trì góc tấn không tốc, góc trượt không tốc và quá 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 toán “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 toán điều khiển thích nghi theo quá tải đứng và quá tải ngang nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB của UAV cỡ nhỏ

- Về thực nghiệm: mô 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 toán ĐKTN để điều khiển UAV trong điều kiện có nhiễu động gió

- Mô phỏng bằng công cụ Simulink và thử nghiệm trên máy tính, đánh giá hiệu quả của thuật toán 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 mô 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 toán 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 không 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

Chương 2 Xây dựng mô hình động lực học vòng điều khiển kín

của UAV trong điều kiện có nhiễu động gió

Chương 3 Tổng hợp thuật toán điều khiển cho UAV trong điều

kiện có nhiễu động gió

Chương 4 Mô phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả nâng cao an

toàn bay cho UAV cỡ nhỏ trên máy tính

CHƯƠNG 1 GIÓ, NHIỄU ĐỘNG GIÓ 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 O o x o y o z o; hệ tọa độ

chuẩn Ox g y g z g ; hệ tọa độ liên kết Oxyz; hệ tọa độ tốc độ Ox r y r z r; hệ

tọa độ quỹ đạo Ox k y k z k

1.2 Gió và nhiễu động gió trong khí quyển

Gió là sự chuyển động tương đối của không khí so với mặt đất Chuyển động của không 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 không thay đổi theo thời gian

1.2.1 Đặc tính chung của nhiễu động khí quyển

Hình 1.5 Sơ đồ dòng nhiễu động không 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 không đều trên mặt đất;

- Do địa hình mặt đất không 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 6 8 W ,m / s 0

1

2 3

1- ngày (từ 10 đến 17 giờ); 2- đêm (từ 22 đến 5 giờ); 3- một ngày đêm Hình 1.6 Tần suất xuất hiện các

dòng nhiễu động gió theo độ cao

+ 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 không thay đổi theo thời gian [42]

1.2.2.1 Thành phần gió không đổi

Thành phần gió không đổi W là thành phần gió có giá trị tốc độ 0

gió không đổi theo thời gian và không gian Tuy nhiên, thành phần gió không đổi thường không phản ánh đầy đủ các điều kiện bay thực của TBB Thành phần gió không 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 mô 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

ngẫu nhiên dừng, nghĩa là trong từng lần UAV gặp nhiễu động gió coi các tham số nhiễu động gió không thay đổi theo thời gian

1.2.3 Mô hình toán học của nhiễu động gió

- Mô hình nhiễu động gió bậc thang:

x - tọa độ điểm bắt đầu có nhiễu động gió

L - quy mô 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 W yo , W zo <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 không tốc V , góc tấn không tốc r

r

 và góc trượt không tốc r, do đó ảnh hưởng đến lực khí động và

mô men khí động

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến an toàn bay của UAV

- Xét nhiễu động gió đứng thổi thẳng đứng từ dưới lên, góc tấn không tốc và độ lớn của véc tơ không tốc được tính như sau:

- Tương tự khi xét nhiễu động gió ngang, góc trượt không tốc và

độ lớn của véc tơ không tốc được tính như sau:

1.4 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]:

1.5 Đặt bài toán nghiên cứu

Bài toán thứ nhất: xây dựng mô hình động lực học vòng điều

khiển kín của UAV cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió bằng công cụ Simulink

Bài toán thứ hai: tổng hợp thuật toán ĐKTN theo tín hiệu quá 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 không để góc tấn không tốc, góc trượt không tốc vượt quá 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 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÒNG ĐIỀU KHIỂN KÍN CỦA UAV TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ NHIỄU

Hình 2.1 Sơ đồ khối vòng điều khiển kín của UAV

2.1 Mô hình toán 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 V không trùng với véc r

tơ địa tốc V Khi đó các lực khí động và mô men khí động tính theo k

không tốc V r, góc tấn không tốc r, góc trượt không tốc r

2.1.2 Hệ phương trình chuyển động của UAV trong không gian

Hệ phương trình vi phân (HPTVP) chuyển động của UAV trong không 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:

Từ biểu thức (2.25) thấy rằng, thành phần quá tải đứng n y xấp xỉ

tỷ lệ thuận với r , tương tự sẽ có thành phần quá tải ngang n z xấp xỉ

tỉ lệ thuận với r Như vậy, để điều khiển theo r, r có thể thực

hiện điều khiển thông qua n y , n z (do n y , n z được đo trực tiếp bởi các gia tốc kế)

2.2 Mô hình toán chuyển động dọc và chuyển động cạnh của UAV

2.2.1 Mô 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 không 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

W

V V  và thay  bằng r

2.2.2 Mô 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 không có nhiễu động gió và chỉ khác là trong các biểu thức liên quan đến lực dạt, lực cản và mô men khí động thay

W

V V  và thay  bằng r

2.3 Thuật toán điều khiển UAV

- Kênh điều khiển độ cao:

u K H H K H H K  H H dtu k  (2.32)

- Kênh điều khiển hướng:

2.4 Mô phỏng vòng 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 mô 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 Mô hình mô phỏng động lực học vòng điều khiển kín của UAV trong môi trường Matlab-Simulink

của UAV

Mô hình mô phỏng vòng điều khiển kín kênh chuyển động dọc

và kênh chuyển động cạnh của UAV trong Simulink được xây dựng theo lưu đồ thuật toán như trên hình 2.7, hình 2.8

2.4.2.1 Phân tích định tính mô hình mô phỏng động lực học vòng điều khiển kín chuyển động dọc của UAV

Thông qua đáp ứng của mô 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

- Mô hình mô phỏng vòng điều khiển kín kênh chuyển động dọc được ổn định khi có tác động từ bên ngoài

2.4.2.2 Phân tích định tính mô hình mô phỏng động lực học vòng điều khiển kín chuyển động cạnh của UAV

Thông qua đáp ứng của mô 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

- Mô hình mô phỏng vòng điều khiển kín chuyển động cạnh của UAV được ổn định khi có tác động ngoài

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 mô nhiễu động:

Hình 2.18 Sự thay đổi quá tải

đứng lớn nhất theo L

Hình 2.19 Sự thay đổi góc tấn không tốc lớn nhất theo L

Nhận xét: Kết quả trên hình 2.18, 2.19 cho thấy rằng, khi nhiễu

động gió có quy mô nhiễu động nhỏ có thể dẫn đến UAV mất ATB

- Kết quả mô phỏng khi biên độ nhiễu động gió thay đổi:

Hình 2.20 Quỹ đạo bay

khi W yo =7.62m/s

Hình 2.21 Quỹ đạo bay khi W yo =15m/s

Hình 2.22 Góc tấn không tốc khi

W yo =7.62m/s

Hình 2.25 Quá tải đứng n y khi

W yo =15m/s

Nhận xét: Kết quả mô phỏng trên hình 2.20-2.25 cho thấy rằng,

khi nhiễu động gió có quy mô nhiễu động nhỏ hoặc biên độ nhiễu động lớn dẫn đến góc tấn không 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 mô nhiễu động:

Hình 2.26 Sự thay đổi góc trượt không

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 không tốc tăng nhiều nhất và dễ dẫn đến góc trượt không tốc vượt quá giá trị cho phép